基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计.doc

基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计

摘要
     霍尔传感器在实际应用中越来越广泛，将永磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔传感器置于磁铁的气隙中，当州转动时，霍尔传感器输出的电压则包含有转速的信息。测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。将霍尔传感器输出电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
设计背景
霍尔传感器在实际应用中越来越广泛，将永磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔传感器置于磁铁的气隙中，当州转动时，霍尔传感器输出的电压则包含有转速的信息。将霍尔传感器输出电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。基于以上特点，我们设计了感器的直流电机转速测量系统。利用霍尔效应测量转速的工作原理非常简单，可靠性高，性能稳定，率响应快、抗干扰能力强等优点。
关键词：霍尔传感器 单片机
转速测量及控制的基本原理
1.1  转速测量原理
      转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

      式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期
根据式(1)即可计算出直流电机的转速。
      霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。
  1.2  转速控制原理
      直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D／A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。比例调节器的输出系统式为：

      式中：Y为调节器的输出；e(t)为调节器的输人，一般为偏差值；Kp为比例系数。
      从式(2)可以看出，调节器的输出Y与输入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分调节器)或PID(比例、积分、微分调节器)算法。
系统的硬件软件设计
系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速，硬件组成由图1所示。

系统测速框图如下

电机
霍尔
传感器

脉冲
信号放大
C8051
F060

7279

LED

测速原理图

测速原理：测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。
通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。
图2是测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。HG表示霍尔元件，采用CS3020，在霍尔元件输出端（引脚3）与地并联电容C3滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R2，然后将其接入LM324的引脚3。用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器RP1比较得出高低电平信号给单片机读取。C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。LED便于观察，当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。微型电机M可采用 型，通过电位器RP1分压，实现提高或降低电机转速的目的。C1电容使电机的速度不会产生突变，因为电容能存储电荷。
电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
比较器还有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。

控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。
      系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1 ms，初始化时TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。
软件设计
本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，主程序和T0中断流程图如图2、3所示。
DAC0数值加1
转速等于预设值
DAC0数值减1
返回
转速大于预设值
到1S
开始
开始
初始化时钟初
始化定时器T0/T1
初始化IO端口
使能比较器使能DAC0
初始化7279
允许T0、INT0中断
调用延时子程序
结束

  测试结果
      首先在软件中给出转速预设值，即给定常量speed的值，观察速度稳定后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评价测量的准确性，测试结果如表1所示。根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5％以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降，函数关系如式(3)所示。

转速测试结果
预设测速值 r/min 实测转速值 r/min 误差(%)
720 750 4.17
960 990 3.13
1380 1410 2.17
1800 1830 1.67
2220 2250 1.35
3060 3060 0.98
结 论
本系统即有软件部分的编程，又有硬件部分的贯通，是我们学生更好的把软硬件更好的结合起来的一次综合应用，对我们的软硬件知识提出了更高的要求，无疑对我们以后的学习又提供了一次良好的学习机会。本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5％以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。