工程案例
李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了實現(xiàn)對電動機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的電機轉(zhuǎn)速檢測及其性能優(yōu)化，本文提出了基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合以MSP430單片機作為整個系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)非接觸測量和LED顯示，并在電機超速時實現(xiàn)了系統(tǒng)報警的設(shè)計思路。通過將單片機與傳感器技術(shù)有效結(jié)合起來，之后進行基于霍爾傳感器的電機測速電路設(shè)計及調(diào)試，結(jié)果表明經(jīng)過優(yōu)化所設(shè)計的硬件電路部分及其軟件程序是完全有效和可靠的，不僅滿足了整體設(shè)計要求，而且實現(xiàn)了對待測電機轉(zhuǎn)速的高精度、非接觸式測量和性能監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；電機轉(zhuǎn)速；MSP430單片機；調(diào)速系統(tǒng)；非接觸測量
0引言
實現(xiàn)對電動機、機床主軸、交通工具動力系統(tǒng)中等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速測定是保證電機系統(tǒng)安全運行、穩(wěn)定性的重要保障，同時也是達到按照生產(chǎn)等要求控制電機轉(zhuǎn)速首要條件。譬如在發(fā)電機、造紙機械、卷揚機等電機設(shè)備中可以實現(xiàn)對馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)控，并且要連續(xù)時間內(nèi)實施采集控制目標速度值以保證系統(tǒng)安全性；同時，還可以對目標檢測并顯示其轉(zhuǎn)速。然而實現(xiàn)非接觸和高精度的轉(zhuǎn)速測定一直是傳感器領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。因此，本研究設(shè)計了基于霍爾傳感器和以MSP430單片機為核心的電機轉(zhuǎn)速測量數(shù)字式輸出與調(diào)速系統(tǒng)，突出優(yōu)點為抗干擾能力強、傳輸誤碼率低，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)電機測速的非接觸式、離線和高精度的系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計探討。
1霍爾傳感器
霍爾傳感器Ａ3144，該型號霍爾傳感器通常適合于溫度較大范圍變動下的場合，其溫度變化范圍可達到－40℃～150℃的范圍。該傳感器主要包括檢測部分及后端的信號調(diào)理部分，主要電路有信號放大電路、溫度補償電路以及具有輸出波形調(diào)理的斯密特觸發(fā)器，具有很強的抗干擾能力，此外，該霍爾傳感器芯片還具有體積小，穩(wěn)定程度高，具有很強的抗干擾能力（如圖1）。
通過將體積微小的霍爾傳感器安裝放置在靠近電機轉(zhuǎn)子附近，并把磁鋼裝在待檢測轉(zhuǎn)子上，當磁鋼隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器周邊的磁場將隨之發(fā)生周期性的變化，從而出現(xiàn)周期性的霍爾電壓變化并進行測量。因此，當待測電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳感器運動，所產(chǎn)生的相應(yīng)頻率脈沖信號，該信號經(jīng)過電路分析處理就會得到相應(yīng)的脈沖，使脈沖輸出到計數(shù)器或計數(shù)裝置，用計數(shù)脈沖數(shù)反應(yīng)出電機速度。
2硬件電路設(shè)計
基于MSP430單片機為控制核心的整體結(jié)構(gòu)如下所示（圖2）。該設(shè)計系統(tǒng)包括霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測量部分、信號放大濾波電路、MSP430單片機系統(tǒng)、LED顯示電路、報警電路、串口通訊電路、電機調(diào)速驅(qū)動電路和電源電路等。以上電路各部分協(xié)同實現(xiàn)來完成信號的采集、信號調(diào)理，以及信號單片機的輸入和單片機輸出等功能。
2.1硬件電路整體框圖
本研究中，我們采用了霍爾傳感器MSP430進行電機轉(zhuǎn)速測量設(shè)計，應(yīng)用信號濾波電路實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理，測量信號用信號放大電路，之后供給單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)顯示并串口發(fā)送。
當待測電機高速轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器將轉(zhuǎn)速信號采集，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量脈沖信號輸出，經(jīng)過隔離后，在經(jīng)過濾波和放大電路后送到MSP430單片機的數(shù)字量捕捉接口對轉(zhuǎn)速信號采集，同時單片機通過溫度傳感器借助AD轉(zhuǎn)換采集。單片機將轉(zhuǎn)速信號和溫度信號通過RS485串口發(fā)送至上位機。LED顯示轉(zhuǎn)速信息，而選用MSP430的ＰＷＭ功能可實現(xiàn)對電機的調(diào)速。
2.2放大電路實現(xiàn)
雖然采用的霍爾傳感器的輸出電壓可以滿足研究需要，但為了更適合于實際工作中霍爾傳感器的輸出電壓，本研究再次設(shè)計了信號放大電路，實際中工作狀態(tài)下，如果外部電壓值有所增高，則可以通過調(diào)整和改變放大器的放大系數(shù)匹配單片機的輸入要求，本研究選擇的放大器芯片為INA121芯片。實驗中設(shè)計的信號放大電路如圖3所示，為了實現(xiàn)輸出脈沖信號的穩(wěn)定性以及電壓的匹配，采用了RC濾波電路。
圖3信號放大電路系統(tǒng)原理圖
2.3 LED顯示電路圖
本研究設(shè)計的LED顯示電路如圖4所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分，即MSP430的下位機軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計部分。其中，下位機軟件設(shè)計完成對霍爾傳感器采集電機轉(zhuǎn)速的脈沖信號個數(shù)統(tǒng)計，將所記數(shù)字經(jīng)過換算成標準轉(zhuǎn)速值在LED上顯示，之后將溫度傳感器反饋的溫度信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，單片機經(jīng)過串口通信RS485發(fā)送至上位機，，完成PID自動控制過程；上位機軟件的設(shè)計主要是根據(jù)下位機的要求而設(shè)計的，主要完成對下位機溫度數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析和圖形顯示等過程，并且也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存與打開功能，對電機轉(zhuǎn)速的自動控制及超速報警的功能。在MATLAB GUI界面上完成設(shè)計，設(shè)計了GUI的串口屬性。
3.1上位機與下位機調(diào)速系統(tǒng)
原理圖如圖5所示。
3.2下位機軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)在初始上電復(fù)位后，首先初始化設(shè)置，主要是定時器模式的初始化過程。系統(tǒng)初始化完成后系統(tǒng)進入循環(huán)狀體，進行AD轉(zhuǎn)換獲取溫度值并獲取轉(zhuǎn)速脈沖，計算出真實轉(zhuǎn)速，送達LED顯示并RS485輸出，其基本流程如圖６所示。
4測試結(jié)果
在PID控制中采集實測電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并繪制轉(zhuǎn)速曲線，計算器超自動調(diào)整超調(diào)量與穩(wěn)定時間，結(jié)果如圖7和圖8，曲線分別顯示PID控制電機測試和轉(zhuǎn)速的調(diào)控效果。其中，圖7為調(diào)試過程當中的一組電機轉(zhuǎn)速實際測試曲線，其中PID參數(shù)為：KP=1.9，Kd=1.5，Ki=1.5；類似的，圖8為合適的PID參數(shù)控制下另一組電機轉(zhuǎn)速測試曲線，其中PID參數(shù)分別為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。
上圖中橫坐標表示采樣點，每個采樣間隔為0.01ｓ，縱坐標表示待測電機的實際轉(zhuǎn)速。如圖７所示，KP=1.9，控制目標范圍中出現(xiàn)了大于50%的超調(diào)，經(jīng)過系統(tǒng)多個采樣點系統(tǒng)依然沒有進入穩(wěn)定狀態(tài)，因此應(yīng)該降低KP與K值。在圖8中，當KP=1.2，控制目標的超調(diào)量≤15%，并且經(jīng)過較少的采樣點（21個）系統(tǒng)基本實現(xiàn)趨于穩(wěn)定，所以該組參數(shù)是是一組合適的PID參數(shù)。經(jīng)過驗證，確定的PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。可見，所設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的整體控制，同時系統(tǒng)具有上升時程小，靜態(tài)誤差小等特點，可滿足控制要求。
5安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
5.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
5.2產(chǎn)品選型
5.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
5.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表2
5.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
表3
5.2.4直流漏電流傳感器
表4
6結(jié)束語
本研究通過將傳感器技術(shù)和單片機有效結(jié)合起來，進行電機測速系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)，克服了傳統(tǒng)電機 測試和調(diào)速系統(tǒng)方法測量的不足，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速 的高精度、非接觸式測量和性能監(jiān)控。本文所設(shè)計 的電機測速系統(tǒng)具有測量速度快、測量精度高、靈敏 度高的優(yōu)點，對電動機、工廠機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備在 日常生產(chǎn)中的電機轉(zhuǎn)速測量具有較高的理論和實際 應(yīng)用價值。
在整個電機測量及其調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，由于單 片機和傳感器的有效應(yīng)用，特別是微控制器的合理 應(yīng)用，不僅使系統(tǒng)變得更加智能，同時讓調(diào)速系統(tǒng)的 主電路部分也得到優(yōu)化和性能提升，但整體系統(tǒng)所 用的功率元器件卻不斷精簡；未來，電機測量調(diào)速系 統(tǒng)不斷向頻帶寬，快速響應(yīng)性能佳，靜態(tài)誤差范圍 小，無超調(diào)和動態(tài)抗干擾能力強的方向發(fā)展和邁進。
【參考文獻】
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[2]張玲娜.基于霍爾傳感器的電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版
