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第 37 卷 第 3 期 Vol. 37 No. 3
河 南 科 技 学 院 学 报
Journal of Henan Institute of Science and Technology
2009 年 9 月 Sep. 2009
基于霍尔传感器的转速测量系统的设计
李金波,刘明黎
(河南工业职业技术学院,河南 南阳 473009)
摘 要:对转速测量和控制原理进行了分析 ,利用霍尔传感器工作频带宽 、响应速度快 、测量精度高的特性 ,结
合单片机控制电路,设计出了一种新型的转速测量系统. 实现了对脉冲信号的精确、快速测量,硬件成本低,算 法简单,稳定性好.
关键词:霍尔传感器;单片机;转速;测量 中图分类号:TP271
文献标识码:A
文章编号:1673-6060 (2009)03-0054-03
Hall Sensor Based onThe Speed Measurement System
Li JinBo,Liu MingLi
(Henan Poly- technical Institute,Nanyang 473009,China)
Abstract: Analyzed the principle of speed measurement and control,use the Hall sensor which has a wide
frequency band, fast response and high -precision,combineding with the SCM control circuit, a new speed measurement system was designed. It can measure a pulse signal precisely and rapidly. It also has a low -cost hardware, simple algorithm and good stability.
转速测量技术的应用非常广泛. 随着科学技术的发展,新的测量转速的方法不断产生,特别是单片
机的应用,使得转速的测量更精确、更快速. 我们将单片机和霍尔传感器结合起来,实现了对高转速的
1 转速测量及控制的基本原理
1.1 转速测量原理
精确、快速、简便的测量.
Key words: Hall sensor;SCM;Speed;Measurement
根据霍尔效应原理,测量转速时,在非磁性的转盘上粘上一块磁钢,把霍尔传感器的感应面对准磁
钢的磁极,并将其固定在机架上. 机器轴旋转时,固定在转盘上的磁钢随之旋转,当磁钢转到传感器的 位置时,霍尔传感器便输出一个脉冲信号,经施密特触发器整型,送到单片机的外部中断 INT0 引脚. 转
轴每转一圈霍尔传感器输出一个脉冲信号,相邻两个脉冲之间的时间间隔为转轴转一圈的时间,由此 可计算出转轴的转速.
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 AT89C2051 片内的 D/A 转换器的
[1]
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
:
(1)
y ? K p e(t)
式(1)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.
收稿日期:2009-04-12
作者简介:李金波(1957-),男,河南南阳人,副教授,主要从事应用电子技术研究.
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李金波等: 基于霍尔传感器的转速测量系统的设计
第 3 期
从式(1)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.
2 系统的硬件设计
该测量系统的结构如图 1 所示. 主要由单片机、霍尔传感器、施密特触发器和显示器等组成.
图 1 测量系统的结构
单片机采用 AT89C2051 芯片,其功能与 MCS-51 兼容,特点如下:20 引脚封装,无 P0 和 P2 口,内 部有 2KEPROM,对不需扩展程序存储器的系统特别适用. 具有体积小,安装方便,价格便宜等优点. 控 制器 AT89C2051 主要完成转速脉冲的采集、16 位定时计数器计数定时、运算比较、转速控制以及数码 显示等多项功能.
2
[2]
霍尔传感器是把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及稳压电源等集成在一个芯片上,然后封装起来 构成的. 由于霍尔传感器测量方式属于补偿式测量,所以具有良好的精确度(±1%)和线性度(≤0.1%× 额定电流). 霍尔传感器分为线性和开关型两种,线性霍尔传感器主要用于位移、压力、电功率等测量, 开关型霍尔传感器主要用于转速、转角、液位等测量.
使用的霍尔传感器为开关型的,其输出波形如图 2 所示
[3]
.
3 系统的软件设计
测量转速的关键是快速准确地测量转轴每旋转一圈的时间. 转轴旋转时,霍尔传感器输出的信号 经施密特触发器 74LS14 整形后其波形如图 3 所示.
图 2 开关型霍尔传感器的输出波形 图 3 经施密特触发器整形后的波形
此信号送到单片机的 INT0 引脚,设置外部中断 0 为边沿触发方式,在脉冲信号的下降沿向 CPU 发 出中断请求. 同时利用单片机的定时器 T0 进行定时,测量两次中断之间的时间. 为了测量的方便设置一 个测量标志 flag,初始化 flag 为 0. 第一次外部中断产生,将 flag 置 1,同时启动定时器开始定时,在紧接 着的下次中断时关闭定时器,将 flag 清零. 这样在 flag=1 时,定时器计时,测量转轴转一圈的时间,在 flag=0 时,定时器停止计时,计算转速,如此重复进行测量,即可测得转轴的即时转速. 定时器 T0 中断服 55
2009 年 河南科技学院学报
务程序和外部中断服务程序流程图如图 4 所示.
为了比较精确的测量转轴转一圈的时间,设置 定时器 T0 工作在方式 2,允许中断,计数初值为 0, 当计数溢出时自动装入计数初值,以减小在其他工 作方式下, 由程序装入计数初值引起的测量误差. 因方式 2 定时器的计数器仅为 8 位计数器, 另设 置一个 16 位的计数器 i, 每次定时器计数溢出时 将其加 1. 单片机的时钟频率为 6 MHz, 一个机器 周期 T 的时间为 2 μS, 该测量装置的最大计时时 间为 224 ×T≈33.55 S,测量的最低转速为 2 转/min. 测量误差小于 0.5%的情况下, 测量的最高转速可 达每分钟十五万转(计数值为 200,计时误差为 1 个机器周期). 增大时钟频率,可以提高测量的最大 转速和测量精度:
(a) 定时器 T0 中断服务程序. (b) 外部中断服务程序
图 4 程序流程
60×10
转速=
6
(i×256+TH0)×T
定时器 T0 初始化 式(2)中:i-定时器溢出次数,TH0-关闭定时器时定时器的 计数值, T-单片机的机器周期,主程序流程如图 5 所示.
中断初始化
4 存在问题与解决方法
这种测量转速的方法无论是在电路上还是在算法上都比 较简单,但其不足之处是在转速比较高时测量误差增大,此问
0→flag
0→i
题可以通过软件的方法解决.
解决该问题的基本思路是:当转速大于某一值时,测量转 轴旋转 n 转的时间,这样误差可以减小到原来的 1/n. 霍尔器件 输出的脉冲信号,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
[4]
显示转速 图 5 主程序流程
:
n=
60
(3)
式(3)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(3)即可计算出 直流电机的转速.
5 结束语
本系统采用霍尔传感器来采集脉冲信号,硬件电路具有制作简单、成本低的特点,软件设计程序简 单,整个系统稳定性好、测速精度高,能较好地满足工业生产中对转速测量的要求. 参考文献:
(责任编辑:刘明) [1] 肖 衡,陈春俊,梁 健.单片机在直流电机转速测量及控制中的应用[J].计量与测试技术.2005,(4):33. [2] 秦祖荫.霍尔电流传感器的性能及其使用[J].电力电子技术,1994,(4):63-65. [3] 吴腾奇.霍尔传感器及其应用[J].传感器世界,1997,(1):28-34.
[4] 田汉波,赵英俊.一种基于线性霍尔传感器的直流电机转速测量方法[J].机械与电子,2007,(1):31-33.
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