摘(zhai)要(yao):為(wei)(wei)了(le)(le)實(shi)現(xian)對(dui)電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)、機(ji)(ji)(ji)床主軸等(deng)旋轉(zhuan)設備(bei)的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速檢測(ce)及(ji)其性能(neng)優(you)化(hua),本文提出了(le)(le)基(ji)(ji)于霍(huo)爾傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速調(diao)節系統,結(jie)合以MSP430單(dan)片機(ji)(ji)(ji)作為(wei)(wei)整個系統的(de)(de)主控制器,實(shi)現(xian)非接(jie)觸測(ce)量和(he)(he)LED顯示,并在電(dian)機(ji)(ji)(ji)超速時實(shi)現(xian)了(le)(le)系統報警的(de)(de)設計思路。通過將單(dan)片機(ji)(ji)(ji)與傳(chuan)感(gan)器技術有效結(jie)合起來,之(zhi)后(hou)進(jin)行基(ji)(ji)于霍(huo)爾傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)測(ce)速電(dian)路設計及(ji)調(diao)試,結(jie)果表明經過優(you)化(hua)所設計的(de)(de)硬(ying)件電(dian)路部分及(ji)其軟件程序是(shi)完全有效和(he)(he)可靠的(de)(de),不僅滿(man)足了(le)(le)整體設計要(yao)求(qiu),而(er)且實(shi)現(xian)了(le)(le)對(dui)待測(ce)電(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速的(de)(de)高精度、非接(jie)觸式測(ce)量和(he)(he)性能(neng)監(jian)控。
關鍵詞:霍爾傳感器;電(dian)機(ji)(ji)轉速;MSP430單片機(ji)(ji);調(diao)速系(xi)統;非接觸測(ce)量
0引言
實(shi)(shi)現(xian)(xian)對電動機(ji)(ji)、機(ji)(ji)床(chuang)主軸(zhou)、交通(tong)工具(ju)動力系(xi)統(tong)(tong)(tong)中(zhong)等(deng)旋轉(zhuan)(zhuan)設備(bei)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)測(ce)(ce)定是保證電機(ji)(ji)系(xi)統(tong)(tong)(tong)安全運(yun)行、穩定性的(de)重(zhong)要(yao)保障(zhang),同時也是達(da)(da)到按照生產等(deng)要(yao)求控(kong)制電機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)首要(yao)條件(jian)。譬(pi)如在發電機(ji)(ji)、造紙機(ji)(ji)械(xie)、卷揚(yang)機(ji)(ji)等(deng)電機(ji)(ji)設備(bei)中(zhong)可以(yi)(yi)實(shi)(shi)現(xian)(xian)對馬達(da)(da)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)調控(kong),并且要(yao)連續時間內實(shi)(shi)施采集控(kong)制目(mu)標速(su)度值以(yi)(yi)保證系(xi)統(tong)(tong)(tong)安全性;同時,還可以(yi)(yi)對目(mu)標檢測(ce)(ce)并顯示其轉(zhuan)(zhuan)速(su)。然而實(shi)(shi)現(xian)(xian)非(fei)接(jie)觸和(he)高精(jing)度的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)測(ce)(ce)定一直是傳(chuan)感器領域(yu)的(de)重(zhong)要(yao)研(yan)究(jiu)內容(rong)。因此,本研(yan)究(jiu)設計(ji)了基于霍爾傳(chuan)感器和(he)以(yi)(yi)MSP430單片(pian)機(ji)(ji)為(wei)核心的(de)電機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)測(ce)(ce)量(liang)數字式(shi)輸(shu)出與調速(su)系(xi)統(tong)(tong)(tong),突出優點為(wei)抗干擾能(neng)力強、傳(chuan)輸(shu)誤碼率低,實(shi)(shi)現(xian)(xian)了對旋轉(zhuan)(zhuan)電機(ji)(ji)測(ce)(ce)速(su)的(de)非(fei)接(jie)觸式(shi)、離線(xian)和(he)高精(jing)度的(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)開發和(he)設計(ji)探討。
1霍爾傳感器
霍爾(er)傳(chuan)感器(qi)A3144,該(gai)型號霍爾(er)傳(chuan)感器(qi)通常適合于溫度(du)較大(da)范圍變(bian)動下的(de)場合,其溫度(du)變(bian)化(hua)范圍可達到(dao)-40℃~150℃的(de)范圍。該(gai)傳(chuan)感器(qi)主(zhu)要包括檢(jian)測部分(fen)及(ji)后端的(de)信(xin)號調理部分(fen),主(zhu)要電路有信(xin)號放(fang)大(da)電路、溫度(du)補償電路以及(ji)具有輸(shu)出波形(xing)調理的(de)斯密特觸發器(qi),具有很強的(de)抗(kang)干(gan)擾能力,此外(wai),該(gai)霍爾(er)傳(chuan)感器(qi)芯片還具有體積小,穩(wen)定(ding)程(cheng)度(du)高,具有很強的(de)抗(kang)干(gan)擾能力(如(ru)圖1)。
通過將(jiang)體積微(wei)小的(de)(de)霍爾傳(chuan)感器(qi)(qi)安裝放置在靠(kao)近電(dian)(dian)機轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子附近,并把(ba)磁(ci)(ci)鋼裝在待檢測轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子上,當磁(ci)(ci)鋼隨轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子一起轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動時,霍爾傳(chuan)感器(qi)(qi)周(zhou)邊(bian)的(de)(de)磁(ci)(ci)場將(jiang)隨之發生周(zhou)期性的(de)(de)變化(hua),從而(er)出現周(zhou)期性的(de)(de)霍爾電(dian)(dian)壓變化(hua)并進(jin)行測量。因此(ci),當待測電(dian)(dian)機旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)驅動傳(chuan)感器(qi)(qi)運動,所產生的(de)(de)相(xiang)應頻率脈沖信號,該信號經過電(dian)(dian)路分析處理就會得到相(xiang)應的(de)(de)脈沖,使脈沖輸(shu)出到計數(shu)器(qi)(qi)或計數(shu)裝置,用計數(shu)脈沖數(shu)反應出電(dian)(dian)機速(su)度。
2硬件電路設計
基于MSP430單(dan)片(pian)機(ji)為控制核(he)心的(de)整體結構如(ru)下所(suo)示(圖2)。該設計系(xi)統包括(kuo)霍(huo)爾傳感(gan)器轉速測量部(bu)分、信(xin)號(hao)(hao)放大濾波電路(lu)、MSP430單(dan)片(pian)機(ji)系(xi)統、LED顯(xian)示電路(lu)、報(bao)警(jing)電路(lu)、串口通訊電路(lu)、電機(ji)調速驅動電路(lu)和電源(yuan)電路(lu)等(deng)(deng)。以(yi)上電路(lu)各部(bu)分協同實現來完成信(xin)號(hao)(hao)的(de)采集、信(xin)號(hao)(hao)調理(li),以(yi)及(ji)信(xin)號(hao)(hao)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)輸入和單(dan)片(pian)機(ji)輸出等(deng)(deng)功能。
2.1硬件(jian)電路整體框圖(tu)
本研究(jiu)中,我們采用了霍爾傳(chuan)感(gan)器(qi)MSP430進行電(dian)機轉速測量設計,應用信號(hao)(hao)濾波電(dian)路(lu)實現(xian)了數據處理,測量信號(hao)(hao)用信號(hao)(hao)放大(da)電(dian)路(lu),之后供給單片機系統來實現(xian)數據采集(ji),將(jiang)采集(ji)的數據顯(xian)示并串口(kou)發(fa)送。
當(dang)待(dai)測電機(ji)(ji)(ji)高(gao)速(su)轉動時(shi),霍爾傳(chuan)感器(qi)將轉速(su)信號(hao)(hao)采(cai)(cai)集,轉變為數(shu)字(zi)量脈沖信號(hao)(hao)輸出(chu),經(jing)過(guo)隔離后,在經(jing)過(guo)濾波和放大電路后送到MSP430單(dan)片機(ji)(ji)(ji)的數(shu)字(zi)量捕捉接口對轉速(su)信號(hao)(hao)采(cai)(cai)集,同(tong)時(shi)單(dan)片機(ji)(ji)(ji)通過(guo)溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)借助AD轉換采(cai)(cai)集。單(dan)片機(ji)(ji)(ji)將轉速(su)信號(hao)(hao)和溫(wen)度信號(hao)(hao)通過(guo)RS485串口發送至上位機(ji)(ji)(ji)。LED顯示轉速(su)信息,而選用MSP430的PWM功能可(ke)實現對電機(ji)(ji)(ji)的調速(su)。
2.2放大電路實現
雖然采用(yong)的(de)(de)霍爾傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)輸(shu)出電(dian)壓(ya)可以滿(man)足(zu)研(yan)究需要(yao),但為(wei)(wei)了(le)更適合于實(shi)際工作中(zhong)霍爾傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)輸(shu)出電(dian)壓(ya),本研(yan)究再次設計(ji)了(le)信號放(fang)(fang)大(da)電(dian)路,實(shi)際中(zhong)工作狀(zhuang)態下,如(ru)果(guo)外部電(dian)壓(ya)值有所(suo)增高,則(ze)可以通過(guo)調整和改變(bian)放(fang)(fang)大(da)器的(de)(de)放(fang)(fang)大(da)系數匹配單片機的(de)(de)輸(shu)入要(yao)求,本研(yan)究選擇的(de)(de)放(fang)(fang)大(da)器芯(xin)片為(wei)(wei)INA121芯(xin)片。實(shi)驗(yan)中(zhong)設計(ji)的(de)(de)信號放(fang)(fang)大(da)電(dian)路如(ru)圖3所(suo)示,為(wei)(wei)了(le)實(shi)現(xian)輸(shu)出脈(mo)沖信號的(de)(de)穩定性以及電(dian)壓(ya)的(de)(de)匹配,采用(yong)了(le)RC濾波(bo)電(dian)路。
圖3信號(hao)放大電路系統原理圖
2.3 LED顯示電路圖
本(ben)研究(jiu)設計(ji)的(de)LED顯(xian)示(shi)電路如圖4所示(shi)。
3系統軟件設計
系(xi)統軟(ruan)件設(she)計(ji)(ji)(ji)主(zhu)要包括兩部分(fen),即(ji)MSP430的(de)(de)下(xia)位(wei)機(ji)(ji)(ji)軟(ruan)件設(she)計(ji)(ji)(ji)和上(shang)位(wei)機(ji)(ji)(ji)軟(ruan)件設(she)計(ji)(ji)(ji)部分(fen)。其中,下(xia)位(wei)機(ji)(ji)(ji)軟(ruan)件設(she)計(ji)(ji)(ji)完成(cheng)對(dui)霍爾傳(chuan)(chuan)感器采集電(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速的(de)(de)脈沖信(xin)號個(ge)數(shu)統計(ji)(ji)(ji),將所(suo)記(ji)數(shu)字(zi)經過(guo)換(huan)算成(cheng)標準(zhun)轉(zhuan)(zhuan)速值在LED上(shang)顯(xian)示,之后將溫度傳(chuan)(chuan)感器反饋的(de)(de)溫度信(xin)號經模數(shu)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)后輸(shu)入到單片機(ji)(ji)(ji),單片機(ji)(ji)(ji)經過(guo)串口通信(xin)RS485發送至上(shang)位(wei)機(ji)(ji)(ji),,完成(cheng)PID自(zi)動控制過(guo)程(cheng);上(shang)位(wei)機(ji)(ji)(ji)軟(ruan)件的(de)(de)設(she)計(ji)(ji)(ji)主(zhu)要是(shi)根(gen)據(ju)下(xia)位(wei)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)要求而(er)設(she)計(ji)(ji)(ji)的(de)(de),主(zhu)要完成(cheng)對(dui)下(xia)位(wei)機(ji)(ji)(ji)溫度數(shu)據(ju)、轉(zhuan)(zhuan)速數(shu)據(ju)的(de)(de)采集、數(shu)據(ju)分(fen)析和圖(tu)形顯(xian)示等過(guo)程(cheng),并且(qie)也實現(xian)了(le)數(shu)據(ju)的(de)(de)保存(cun)與(yu)打開功能,對(dui)電(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速的(de)(de)自(zi)動控制及超(chao)速報警的(de)(de)功能。在MATLAB GUI界面上(shang)完成(cheng)設(she)計(ji)(ji)(ji),設(she)計(ji)(ji)(ji)了(le)GUI的(de)(de)串口屬(shu)性。
3.1上位機與下(xia)位機調(diao)速系統
原理圖如圖5所示。
3.2下位機軟(ruan)件設(she)計
整個系統在初(chu)(chu)始(shi)上電復位后,首先(xian)初(chu)(chu)始(shi)化(hua)設置(zhi),主要是定時器(qi)模式的(de)初(chu)(chu)始(shi)化(hua)過程。系統初(chu)(chu)始(shi)化(hua)完(wan)成后系統進入(ru)循環狀體,進行AD轉(zhuan)換獲取溫(wen)度值并(bing)獲取轉(zhuan)速(su)脈沖,計算出(chu)真實(shi)轉(zhuan)速(su),送達LED顯示(shi)并(bing)RS485輸出(chu),其基本流程如(ru)圖6所示(shi)。
4測試結果
在(zai)PID控(kong)(kong)制(zhi)中(zhong)(zhong)采集實測電(dian)(dian)機轉速數(shu)(shu)據(ju)并繪制(zhi)轉速曲線(xian),計算器超(chao)自動(dong)調(diao)(diao)整超(chao)調(diao)(diao)量與穩定時(shi)間(jian),結果(guo)如圖(tu)7和(he)圖(tu)8,曲線(xian)分別顯示PID控(kong)(kong)制(zhi)電(dian)(dian)機測試和(he)轉速的調(diao)(diao)控(kong)(kong)效果(guo)。其中(zhong)(zhong),圖(tu)7為(wei)調(diao)(diao)試過(guo)程(cheng)當中(zhong)(zhong)的一組電(dian)(dian)機轉速實際測試曲線(xian),其中(zhong)(zhong)PID參(can)(can)數(shu)(shu)為(wei):KP=1.9,Kd=1.5,Ki=1.5;類似的,圖(tu)8為(wei)合適的PID參(can)(can)數(shu)(shu)控(kong)(kong)制(zhi)下另一組電(dian)(dian)機轉速測試曲線(xian),其中(zhong)(zhong)PID參(can)(can)數(shu)(shu)分別為(wei):KP=1.2,Kd=1.5,Ki=1。
上(shang)圖中(zhong)橫坐標表示(shi)采(cai)樣(yang)點(dian),每(mei)個采(cai)樣(yang)間隔(ge)為0.01s,縱(zong)坐標表示(shi)待測電機(ji)的(de)實際轉(zhuan)速。如圖7所(suo)示(shi),KP=1.9,控(kong)(kong)制目標范圍(wei)中(zhong)出(chu)現(xian)了大于(yu)50%的(de)超調(diao),經(jing)過(guo)系(xi)統(tong)多個采(cai)樣(yang)點(dian)系(xi)統(tong)依然沒有進入穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態,因此(ci)應該(gai)降(jiang)低(di)KP與K值(zhi)。在(zai)圖8中(zhong),當KP=1.2,控(kong)(kong)制目標的(de)超調(diao)量≤15%,并且(qie)經(jing)過(guo)較少的(de)采(cai)樣(yang)點(dian)(21個)系(xi)統(tong)基本實現(xian)趨于(yu)穩(wen)定(ding),所(suo)以該(gai)組(zu)參(can)數(shu)是是一組(zu)合適(shi)的(de)PID參(can)數(shu)。經(jing)過(guo)驗(yan)證,確(que)定(ding)的(de)PID調(diao)節器控(kong)(kong)制參(can)數(shu)為:KP=1.2,Kd=1.5,Ki=1。可見,所(suo)設計(ji)的(de)系(xi)統(tong)可以實現(xian)對電機(ji)轉(zhuan)速的(de)整(zheng)體(ti)控(kong)(kong)制,同時(shi)系(xi)統(tong)具有上(shang)升(sheng)時(shi)程小,靜態誤(wu)差小等特點(dian),可滿足控(kong)(kong)制要求(qiu)。
5安科瑞霍(huo)爾傳感器產品選型
5.1產品介紹
霍爾電流傳感器主要適用(yong)(yong)于交流(liu)(liu)、直(zhi)流(liu)(liu)、脈(mo)沖等(deng)復雜信號的隔離轉換(huan),通(tong)過霍爾效應(ying)(ying)原理使變換(huan)后的信號能(neng)(neng)夠直(zhi)接被AD、DSP、PLC、二次儀表(biao)等(deng)各種采集裝置直(zhi)接采集和(he)接受,響(xiang)應(ying)(ying)時間快,電(dian)流(liu)(liu)測量(liang)范圍寬精度高,過載能(neng)(neng)力強(qiang),線性好,抗(kang)干擾能(neng)(neng)力強(qiang)。適用(yong)(yong)于電(dian)流(liu)(liu)監(jian)控(kong)及電(dian)池(chi)應(ying)(ying)用(yong)(yong)、逆(ni)變電(dian)源(yuan)及太陽能(neng)(neng)電(dian)源(yuan)管理系統、直(zhi)流(liu)(liu)屏及直(zhi)流(liu)(liu)馬達驅(qu)動、電(dian)鍍、焊接應(ying)(ying)用(yong)(yong)、變頻器,UPS伺服控(kong)制等(deng)系統電(dian)流(liu)(liu)信號采集和(he)反饋控(kong)制。
5.2產品選型
5.2.1開口式開環霍爾電(dian)流傳感器
5.2.2閉口式開(kai)環霍(huo)爾電流傳(chuan)感器
表2
5.2.3閉環霍(huo)爾電(dian)流傳感器
表3
5.2.4直流(liu)漏電流(liu)傳感器
表4
6結束語
本研究通(tong)過(guo)將傳感器(qi)技(ji)術和(he)單片機(ji)有(you)(you)(you)效結合起來,進行電機(ji)測速(su)(su)(su)系(xi)統設計(ji)和(he)開發,克服了(le)傳統電機(ji) 測試和(he)調速(su)(su)(su)系(xi)統方法測量的不足(zu),實現對(dui)電機(ji)轉(zhuan)速(su)(su)(su) 的高(gao)精度、非接觸式測量和(he)性能監控。本文所設計(ji) 的電機(ji)測速(su)(su)(su)系(xi)統具(ju)有(you)(you)(you)測量速(su)(su)(su)度快、測量精度高(gao)、靈敏 度高(gao)的優點,對(dui)電動機(ji)、工(gong)廠機(ji)床主軸等旋轉(zhuan)設備在 日常生產中的電機(ji)轉(zhuan)速(su)(su)(su)測量具(ju)有(you)(you)(you)較(jiao)高(gao)的理論和(he)實際 應用價值。
在整個(ge)電(dian)機測(ce)量及其(qi)調速(su)(su)(su)系統(tong)設計中,由于單 片機和(he)傳感器(qi)的有效應(ying)用,特(te)別是微控制(zhi)器(qi)的合理 應(ying)用,不僅使系統(tong)變得(de)(de)更加智(zhi)能,同時讓調速(su)(su)(su)系統(tong)的 主電(dian)路部分也得(de)(de)到(dao)優化和(he)性能提升,但整體系統(tong)所(suo) 用的功率元器(qi)件卻不斷(duan)精簡;未(wei)來,電(dian)機測(ce)量調速(su)(su)(su)系 統(tong)不斷(duan)向(xiang)頻帶(dai)寬,快(kuai)速(su)(su)(su)響應(ying)性能佳,靜態誤差范圍(wei) 小,無(wu)超(chao)調和(he)動態抗(kang)干擾能力(li)強的方向(xiang)發(fa)展(zhan)和(he)邁進。
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