基于霍尔传感器的转速测量系统的设计

第37卷第3期河南科技学院学报2009年9月Vol.37No.3JournalofHenanInstituteofScienceandTechnologySep.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）03-0054-03HallSensorBasedonTheSpeedMeasurementSystemLiJinBo，LiuMingLi（HenanPoly-technicalInstitute，Nanyang473009,China）Abstract:Analyzedtheprincipleofspeedmeasurementandcontrol,usetheHallsensorwhichhasawidefrequencyband,fastresponseandhigh-precision,combinedingwiththeSCMcontrolcircuit,anewspeedmeasurementsystemwasdesigned.Itcanmeasureapulsesignalpreciselyandrapidly.Italsohasalow-costhardware,simplealgorithmandgoodstability.Keywords:Hallsensor；SCM；Speed；Measurement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，实现了对高转速的精确、快速、简便的测量.1转速测量及控制的基本原理1.1转速测量原理根据霍尔效应原理，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Kpe(t)（1）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.54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2KE2PROM，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.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［2］，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552009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6MHz，一个机器周期T的时间为2μS,该测量装置的最大计时时间为224×T≈33.55S，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60×106转速=（2）（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→flag0→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.霍尔器件显示转速输出的脉冲信号，其频率和转速成正比.脉冲信号的周期与电图5主程序流程机的转速有以下关系［4］：n=60（3）PT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：［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.（责任编辑：刘明）56