基于霍尔传感器的电机转速控制设计

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基于霍尔传感器的电机转速控制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ组 员 别 组
陈 杨
江 伟
唐 常 小 灏 利

组员工任务简介
文档 演讲 软件 硬件 PPt 摄 像
常小利 唐 灏 江 伟 陈 杨
1引言 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AT89C52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。
• 3.4.2 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 AT89C51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。
VOUI VOH BH VOL 0
BRP
BOP
B
图 3-2 霍尔传感器 A44E的输出特性
• 3.3.2 A44E芯片的引 脚及功能
• 霍尔传感器 A44E芯片的引脚 接线图见图3-7 所示。典型应 用于无触点开关、 汽车点火 器、 刹车电路、 位置转速检 测与控制、 安全报警装置和 纺织控制系统。霍尔传感器是 一个3 端器件,外形与三极管相 似,只要接上电源、 地,即可工 , , 作,输出通常是集电极开路(OC) 门输出,工作电压范围宽,使用 非常方便。引脚1 是电源 V cc ,引脚 2 是地 GND ,引脚 3 是输出OU T。霍尔器件的工 作电压不得超过规定的 V cc , 大部分霍尔开关均为OC 输出。 因此,输出应接负载电阻,其数 值值取决于负载电流的大小, 不得超负载使用。
• 3.3.4 A44E的导通距离 测量
• 把一块小永久磁铁固定在 车轮的辐条上,A44E 在车 轮辐条附近,如图3-5所示。 经过实验得知,当磁铁和霍 尔开关A44E移近到一定距 离(设此距离为 r )时,A44E 芯片的OUT引脚有脉冲信 号输出。当二者的距离大 于 r时,OUT引脚没有脉冲 信号输出。在本设计实际 制作中多次测量得出霍尔 开关A44E导通的距离 r为 43mm到5 mm。
• 电机测速显示器设计不是复杂控制系统, 所以对功能要求不高。且从操作方面以及 性价比考虑,AT89C52单片机都比较适合 本设计,故选用方案二。 • 2.2 传感器模块的选择与论证 • 方案一 • 采用型号为CHV-20L的霍尔元器件作为霍 尔测速模块的核心,该霍尔器件额定电流 为100MA,输出电压为5V,电源为1215V体积较大。
• 2方案论证 • 2.1 主控芯片的论证 • 方案一 • 采用C8051F060单片机作为主控制器C8051F060 系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列 单片机内核兼容的单片机。C8051F060作为新一代 8051单片机,具有功能强大、体积小、工作稳定等特 点,适合于复杂控制系统。 • 方案二 • 采用AT89C52单片机作为主控制芯片,AT89C52 单片机是美国Atmel公司生产的低电压,高性 CMOS8位单片机,片内含8KB的可反复擦写的程序 存储器和12B的随机存取数据存储器(RAM),器件 采Atmel公司的高精度。非易失性存储技术生产,兼 容MCS-51指令系统,其操作简单,性价比高,运用 灵活。
• 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。
• 3.4电机控制电路的设计 • 3.4.1 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。 •
• 3.3.5 A44E硬件电路 设计
• 霍尔传感器 A44E在测速 系统中的主要作用是车 轮转速采集。车轮每转 一周,磁铁经过 A44E 一 次。A44E 的第3 脚就输 出一个脉冲信号作为单 片机 AT89S52 的外中断 信号,从 P3. 2 口输入。 单片机测量脉冲信号的 个数和脉冲周期。根据 脉冲信号的个数计算出 里程,根据脉冲信号的周 期计算出速度并显示。 A44E与单片机的硬件电 路连接如图3-6 所示。
• 3硬件电路的设计 • 3.1 单片机最小系统的设计 • AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片 机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程 序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器 (RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非 易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系 统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元, AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 •
• 3.3.3 A44E的磁输入 检测

A44E的磁输入为单极磁 场,即施加磁场的方式是改 变磁铁和 A44E之间的距 离。判定磁铁极性方法是: 把磁铁的两个极分别靠近 A44E 的正面,当其 OU T 引脚电平由高变低时即为 正确的安装位置,如图下图 所示。经过实验得 知,A44E 只对磁铁的 S 级 有响应而对 N级没有丝毫 响应。安装时一定要让磁 铁的 S级对准 A44E的反 应传感区。
放点(即 触发器输出低电压,三极管截止 放点 即 BRP )时,触发器输出低电压 三极管截止 使OC 门 时 触发器输出低电压 三极管截止,使 输出高电压,这种状态为关 在外磁场的作用下,当磁感应 这种状态为关。 输出高电压 这种状态为关。在外磁场的作用下 当磁感应 霍尔电路输出管导通,输出低电 强度超过导通阈值 BOP时,霍尔电路输出管导通 输出低电 时 霍尔电路输出管导通 之后, 再增加,仍保持导通态 仍保持导通态。 平。之后 B 再增加 仍保持导通态。若外加磁场的 B 值降 低到 B RP时,输出管截止 输出高电平。我们称 BOP为工 时 输出管截止,输出高电平。 为工 输出管截止 输出高电平 作点, BRP为释放点 为释放点,BOP 称为回差。 作点, BRP为释放点,BOP - BRP = BH 称为回差。回差的 存在使开关电路的抗干扰能力增强。这样两次电压变换, 存在使开关电路的抗干扰能力增强。这样两次电压变换 使霍耳开关完成了一次开关动作。一般规定,当外加磁场 使霍耳开关完成了一次开关动作。一般规定 当外加磁场 的南极( 接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时,作用 的南极 S 极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时 作用 接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时 到霍尔电路上的磁场方向为正,北极接近标志面时为负 北极接近标志面时为负。 到霍尔电路上的磁场方向为正 北极接近标志面时为负。
• 2.3 显示模块的选择与论证 • 方案一:采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管 显示器件相对便宜,但是耗能大、编写程序相对麻烦,工 作量大。 • 方案二:采用1602液晶显示器作为显示模块核心。1602 显示器工作原理简单,编程方便,节能环保。 • 在满足设计要求的情况下,选择工作量小的,便于编程的, 且从节能环保的考虑,故选择方案二。
• 方案二
• 使用霍尔传感器获得脉冲信号,其机械结构也可以做得较为简单, 只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢,让霍尔开关靠近磁钢,就有 信号输出,转轴旋转时,就会不断地产生脉冲信号输出。如果在 圆周上粘上多粒磁钢,可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出。 在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向敏感,粘之前可以先 手动接近一下传感器,如果没有信号输出,可以换一个方向再试。 • 从本设计的实际情况来说,不宜使用体积太大。而霍尔传感器 刚好满足,且霍尔传感器机械结构也比较简单,适合本设计要求。 故采用方案二。
• 1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存 储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有: 阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假 名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文 字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把 地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母 “A”。基本操作时序表 • 读写操作时序如图3-8和3-9所示:
• 3.5显示电路的设计
• 3.5.1 显示电路设计 • 本设计显示电路使用
1602液晶模块显示,显示 效果良好。 • 3.5.2 液晶模块简介 • 实物1602液晶模块及管脚 介绍
• 字符型液晶是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根 据显示的容量可分1行16个字、2行16个字、2行20个字等。最常 用的是2行16个字,如上图。 • 第1脚:VSS为电源地,接GND。 • 第2脚:VDD接5V正电源。 • 第3脚:液晶显示偏压信号 • 第4脚:数据/命令选择端(H/L) • 第5脚:读/写选择端(H/L) • 第6脚:E为使能信号,当E端由高电平跳变为低电平时,液 晶模块执行命令。 • 第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线 • 第15脚: BLA背光电源正极(接+5V) • 第16脚: BLK背光电源负极(接GND)
3.2 传感器电路的设计 3.2.1 传感器模块的设计 A44E的测试特性霍尔开关电路的输出特性见图 3-2 所示。在输 的测试特性霍尔开关电路的输出特性见图 所示。 入端输入电压V 经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端, 入端输入电压 cc ,经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端 经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端 根据霍耳效应原理,当霍耳片处在磁场中时 当霍耳片处在磁场中时,在垂直于磁场的方向 根据霍耳效应原理 当霍耳片处在磁场中时 在垂直于磁场的方向 通以电流,则与这二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差 通以电流 则与这二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差 V H 输出,该 信号经放大器放大后送至施密特触发器整形,使其成 输出 该 V H 信号经放大器放大后送至施密特触发器整形 使其成 门输出。当施加的磁场达到工作点(即 为方波输送到 OC 门输出。当施加的磁场达到工作点 即 BOP) 触发器输出高电压(相对于地电位 使三极管导通,此时 时,触发器输出高电压 相对于地电位 ,使三极管导通 此时 触发器输出高电压 相对于地电位) 使三极管导通 此时OC 门 输出端输出低电压,通常称这种状态为开 通常称这种状态为开。 输出端输出低电压 通常称这种状态为开。当施加的磁场达到释
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