安科瑞 范宏博

江蘇安科瑞電器制造有限公司

摘要：為了實現(xiàn)對電動機、機床主軸等旋轉設備的電機轉速檢測及其性能優(yōu)化，本文提出了基于霍爾傳感器的電機轉速調節(jié)系統(tǒng)，結合以MSP430單片機作為整個系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)非接觸測量和LED顯示，并在電機超速時實現(xiàn)了系統(tǒng)報警的設計思路。通過將單片機與傳感器技術有效結合起來，之后進行基于霍爾傳感器的電機測速電路設計及調試，結果表明經(jīng)過優(yōu)化所設計的硬件電路部分及其軟件程序是有效和可靠的，不僅滿足了整體設計要求，而且實現(xiàn)了對待測電機轉速的高精度、非接觸式測量和性能監(jiān)控。

關鍵詞：霍爾傳感器；電機轉速；MSP430單片機；調速系統(tǒng)；非接觸測量

0引言

實現(xiàn)對電動機、機床主軸、交通工具動力系統(tǒng)中等旋轉設備的轉速測定是保證電機系統(tǒng)安全運行、穩(wěn)定性的重要保障，同時也是達到按照生產等要求控制電機轉速首要條件。譬如在發(fā)電機、造紙機械、卷揚機等電機設備中可以實現(xiàn)對馬達轉速的調控，并且要連續(xù)時間內實施采集控制目標速度值以保證系統(tǒng)安全性；同時，還可以對目標檢測并顯示其轉速。然而實現(xiàn)非接觸和高精度的轉速測定一直是傳感器領域的重要研究內容。因此，本研究設計了基于霍爾傳感器和以MSP430單片機為核心的電機轉速測量數(shù)字式輸出與調速系統(tǒng)，突出優(yōu)點為抗干擾能力強、傳輸誤碼率低，實現(xiàn)了對旋轉電機測速的非接觸式、離線和高精度的系統(tǒng)開發(fā)和設計探討。

1霍爾傳感器

霍爾傳感器Ａ3144，該型號霍爾傳感器通常適合于溫度較大范圍變動下的場合，其溫度變化范圍可達到－40℃～150℃的范圍。該傳感器主要包括檢測部分及后端的信號調理部分，主要電路有信號放大電路、溫度補償電路以及具有輸出波形調理的斯密特觸發(fā)器，具有很強的抗干擾能力，此外，該霍爾傳感器芯片還具有體積小，穩(wěn)定程度高，具有很強的抗干擾能力（如圖1）。

通過將體積微小的霍爾傳感器安裝放置在靠近電機轉子附近，并把磁鋼裝在待檢測轉子上，當磁鋼隨轉子一起轉動時，霍爾傳感器周邊的磁場將隨之發(fā)生周期性的變化，從而出現(xiàn)周期性的霍爾電壓變化并進行測量。因此，當待測電機旋轉驅動傳感器運動，所產生的相應頻率脈沖信號，該信號經(jīng)過電路分析處理就會得到相應的脈沖，使脈沖輸出到計數(shù)器或計數(shù)裝置，用計數(shù)脈沖數(shù)反應出電機速度。

2硬件電路設計

基于MSP430單片機為控制核心的整體結構如下所示（圖2）。該設計系統(tǒng)包括霍爾傳感器轉速測量部分、信號放大濾波電路、MSP430單片機系統(tǒng)、LED顯示電路、報警電路、串口通訊電路、電機調速驅動電路和電源電路等。以上電路各部分協(xié)同實現(xiàn)來完成信號的采集、信號調理，以及信號單片機的輸入和單片機輸出等功能。

2.1硬件電路整體框圖

本研究中，我們采用了霍爾傳感器MSP430進行電機轉速測量設計，應用信號濾波電路實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理，測量信號用信號放大電路，之后供給單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)顯示并串口發(fā)送。

當待測電機高速轉動時，霍爾傳感器將轉速信號采集，轉變?yōu)閿?shù)字量脈沖信號輸出，經(jīng)過隔離后，在經(jīng)過濾波和放大電路后送到MSP430單片機的數(shù)字量捕捉接口對轉速信號采集，同時單片機通過溫度傳感器借助AD轉換采集。單片機將轉速信號和溫度信號通過RS485串口發(fā)送至上位機。LED顯示轉速信息，而選用MSP430的ＰＷＭ功能可實現(xiàn)對電機的調速。

2.2放大電路實現(xiàn)

雖然采用的霍爾傳感器的輸出電壓可以滿足研究需要，但為了更適合于實際工作中霍爾傳感器的輸出電壓，本研究再次設計了信號放大電路，實際中工作狀態(tài)下，如果外部電壓值有所增高，則可以通過調整和改變放大器的放大系數(shù)匹配單片機的輸入要求，本研究選擇的放大器芯片為INA121芯片。實驗中設計的信號放大電路如圖3所示，為了實現(xiàn)輸出脈沖信號的穩(wěn)定性以及電壓的匹配，采用了RC濾波電路。

圖3信號放大電路系統(tǒng)原理圖

2.3 LED顯示電路圖

本研究設計的LED顯示電路如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括兩部分，即MSP430的下位機軟件設計和上位機軟件設計部分。其中，下位機軟件設計完成對霍爾傳感器采集電機轉速的脈沖信號個數(shù)統(tǒng)計，將所記數(shù)字經(jīng)過換算成標準轉速值在LED上顯示，之后將溫度傳感器反饋的溫度信號經(jīng)模數(shù)轉換后輸入到單片機，單片機經(jīng)過串口通信RS485發(fā)送至上位機，，完成PID自動控制過程；上位機軟件的設計主要是根據(jù)下位機的要求而設計的，主要完成對下位機溫度數(shù)據(jù)、轉速數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析和圖形顯示等過程，并且也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存與打開功能，對電機轉速的自動控制及超速報警的功能。在MATLAB GUI界面上完成設計，設計了GUI的串口屬性。

3.1上位機與下位機調速系統(tǒng)

原理圖如圖5所示。

3.2下位機軟件設計

整個系統(tǒng)在初始上電復位后，首先初始化設置，主要是定時器模式的初始化過程。系統(tǒng)初始化完成后系統(tǒng)進入循環(huán)狀體，進行AD轉換獲取溫度值并獲取轉速脈沖，計算出真實轉速，送達LED顯示并RS485輸出，其基本流程如圖６所示。

4測試結果

在PID控制中采集實測電機轉速數(shù)據(jù)并繪制轉速曲線，計算器超自動調整超調量與穩(wěn)定時間，結果如圖7和圖8，曲線分別顯示PID控制電機測試和轉速的調控效果。其中，圖7為調試過程當中的一組電機轉速實際測試曲線，其中PID參數(shù)為：KP=1.9，Kd=1.5，Ki=1.5；類似的，圖8為合適的PID參數(shù)控制下另一組電機轉速測試曲線，其中PID參數(shù)分別為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。

上圖中橫坐標表示采樣點，每個采樣間隔為0.01ｓ，縱坐標表示待測電機的實際轉速。如圖７所示，KP=1.9，控制目標范圍中出現(xiàn)了大于50%的超調，經(jīng)過系統(tǒng)多個采樣點系統(tǒng)依然沒有進入穩(wěn)定狀態(tài)，因此應該降低KP與K值。在圖8中，當KP=1.2，控制目標的超調量≤15%，并且經(jīng)過較少的采樣點（21個）系統(tǒng)基本實現(xiàn)趨于穩(wěn)定，所以該組參數(shù)是是一組合適的PID參數(shù)。經(jīng)過驗證，確定的PID調節(jié)器控制參數(shù)為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。可見，所設計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電機轉速的整體控制，同時系統(tǒng)具有上升時程小，靜態(tài)誤差小等特點，可滿足控制要求。

5安科瑞霍爾傳感器產品選型

5.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

6結束語

本研究通過將傳感器技術和單片機有效結合起來，進行電機測速系統(tǒng)設計和開發(fā)，克服了傳統(tǒng)電機 測試和調速系統(tǒng)方法測量的不足，實現(xiàn)對電機轉速 的高精度、非接觸式測量和性能監(jiān)控。本文所設計 的電機測速系統(tǒng)具有測量速度快、測量精度高、靈敏 度高的優(yōu)點，對電動機、工廠機床主軸等旋轉設備在 日常生產中的電機轉速測量具有較高的理論和實際 應用價值。

在整個電機測量及其調速系統(tǒng)設計中，由于單 片機和傳感器的有效應用，特別是微控制器的合理 應用，不僅使系統(tǒng)變得更加智能，同時讓調速系統(tǒng)的 主電路部分也得到優(yōu)化和性能提升，但整體系統(tǒng)所 用的功率元器件卻不斷精簡；未來，電機測量調速系 統(tǒng)不斷向頻帶寬，快速響應性能佳，靜態(tài)誤差范圍 小，無超調和動態(tài)抗干擾能力強的方向發(fā)展和邁進。