霍尔传感器的一种特殊应用

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霍尔传感器的一种特殊应用　●主题论文　－６３——　霍尔传感器的一种特殊应用　罗佰绥．熊小民　ｆ南华大学数理学院，湖南衡阳４２１００１）　摘要：给出霍尔传感器在数控等离子切割机高低调节器上的一种特殊应用，并介绍硬件单元电路　结构、信号走向、各种控制方法和机械定位原理以及等离子高低调节器整体设备的基本工作原理　和实际应用．给出了实际应用中调试方法及注意事项。　关　键词：霍尔传感器；　高低调节器；　定位；调试方法　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—６９７７（２００８）０５—００６３－０５　Ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｈａｌｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ＬＵ０　Ｂａｉ—ｓｕｉ，ＸＩＯＮＧ　Ｘｉａｏ－ｍｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ　４２１００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｈａｌｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ＮＣ　ｐｌａｓｍａ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｈｉｇｈ——ｌｏｗ　ａｄｊｕｓｔｅｒ　ｉｓ　ｇｉｖ　＿　ｅｎ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｌｏｗ　ａｄｊｕｓｔｏｒ，ｓｉｇｎａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｌｏｗ　ｐａｔｈ，ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｗｈｏｌｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｎ　Ｐｌａｓｍａ　ｈｉｇｈ—ｌｏｗ　ａｄｊｕｓｔｏｒ．ｍａｔｔｅｒｓ　ｎｅｅｄｉｎｇ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｅ—　ｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｌ　ｓｅｎｓｏｒ；ｈｉｇｈ－ｌｏｗ　ａｄｊｕｓｔｏｒ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　１　引言　等离子自动高低调节器是切割机中必不可少　的配套设备，广泛应用于大型装备制造、造船和切割　统由霍尔传感器、自检器、高频滤波器、运算放大　器、比较器、断弧提升器、模拟开关手动自动转换　器、光电耦合器、三态门互锁器、电机驱动器以及机　械丝杆传递定位系统组成。图２所示是系统控制电　路图，从而能在切割过程中实时控制割炬与钢板的　距离，有效保证钢板的切割质量。　手动振荡器卜＿Ｊ　Ｊ断弧提升器　自检器ｆ　ｌ比较器　等领域，其主要功能是保证切割割炬与被切割工件　保持最佳切割距离，消除由被切割工件的不平度变　化引起的加工精度误差。切割机在工作过程中不能　准确获取切割割炬与钢板的距离。这就必然影响钢　板的切割质量。切割的弧电流强光会给操作人员造　ｌ自动振荡器　成视觉疲劳。因此，给出了一种基于霍尔传感器的　设计方案。保证切割过程中割缝宽度均匀．切割精　度提高。　一高频滤波器Ｈ运算放大器ｌ　ｌ　Ｉ自动定位　５ｖ＋　丁　垩玺竺壁墨Ｈ垫　型　ｉ　匝亘　玉　光电耦合器　三态门互锁器　２　系统设计　该设计方案利用霍尔效应原理产生随磁场变　化而产生变化的电压。把变化的电压送到自动高低　调节器，控制割炬的上升与下降，形成一个闭环的　２．１霍尔传感器　将一块导体板置于磁场，使磁场的磁感应强度　日的方向与板垂直．当导体板中流经一定电流时。垂　自动高低调节系统，如图１所示。该闭环自动控制系　维普资讯 http://www.cqvip.com 一６４一　《国外电子元器￣｝２００８年第５期　２００８年５月　－Ｊ　工　Ｃ６　上升　卫　下降　下降　上升　直于磁场和电流方向的导体板的横向两侧会产生　压包含有干扰信号。其高频信号的范围较宽，这就需　一定的电势差．这一现象称为霍尔效应。霍尔传感　对信号电压进行高频滤波［２１，从而获取有用信号，再　器是根据该原理制成的。图３是一个霍尔传感器，　将其信号送至等离子自动高低调节器。以运算放大　它共有４个接线端，分别为接地、＋５　Ｖ，一５　Ｖ和电压　器Ｃ１的引脚１的输出电压作为自检电压，并通过　输出．水电缆通过中间空心圆。　调节ＶＲ１改变其输出电压。也可以模拟霍尔传感器　输出电压。　２．２高频滤波电路　高频滤波电路由Ｃ１．￡１．月１组成。由于高频信　出　号经ＬＭ３２４运算放大器后．还有部分杂散的高频信　号没有滤除．电容Ｃ１用于滤除高频信号，而电感￡１　阻碍高频信号．只允许被检波的低频解调信号通　过．这样在负载月１上就建立了微弱的电压信号。　２－３差分运算放大器　图３霍尔传感器　运算差分放大器采用ＬＭ３２４。Ｒ１上的电压输　等离子发生器起弧后．霍尔传感器采集割炬与　入Ｂ１的引脚３。引脚３缓冲输出，用于隔离信号源，　钢板之间的电流。水电缆中的电流穿过霍尔传感　提高负载驱动能力。Ｄ２和Ｄ３二极管具有箝位作用，　器．在其周围产生恒定磁场。向霍尔传感器预先施　正向导通，信号电压被耦合至Ｒ２，Ｒ２上的电压随月１　加一恒压．产生一恒定电流，霍尔传感器则输出霍　变化，具有电压跟随器的作用，Ｒ２的电压输入至后续　尔电压。如果切割电流有微小变化，则产生变化的　Ｂ２的１２引脚。１４引脚和８引脚分别输出电压　１　磁场．而输出的霍尔电压也是变化的。这样就把切　和　。采用双端输入、单端输出放大信号，将Ｂ３的　割中的变化电流转化为变化电压［１］。输出的霍尔电　８引脚和Ｂ２的１４引脚的输出信号输入至差分放大　维普资讯 http://www.cqvip.com 霍尔传感器的一种特殊应用　－６５－　器Ｂ４的５引脚和６引脚，由Ｂ４的７引脚输出放大　２．７定位起弧电路　后的信号。　２．４比较器　自动定位时，Ｋ３处于自动状态，按下ＳＢ３按钮，　触发单稳态５５６器件Ｇ１的６引脚．其５引脚输出的　高电平通过Ｄ２８加到Ｍ１的５引脚，选通模拟开关　Ｍ１的３引脚和４引脚，这时Ｆ１器件的９引脚输出　振荡方波加到Ｍ１的３引脚。由于Ｋ３处于自动状　态，Ｍ２的６引脚和１２引脚处于高电平，振荡方波通　控制系统中的比较器将差分运算放大器Ｂ４输　出的电压施加至ＬＭ３３９比较器的Ｅ３和Ｅ４的５引　脚和６引脚，而４引脚和７引脚被二极管Ｄ５箝位于　０．３　Ｖ。当差分运算放大器输出的电压落在５引脚和　６引脚中，即输出电压比Ｅ３的４引脚电压低，而高于　过Ｍ２传输给光电耦合驱动电机电路，从而驱动直　Ｅ４的７引脚，比较放大器的Ｅ３的２引脚和Ｅ４的１　引脚无电压输出。这时割炬与钢板的距离保持静　止，发光二极管Ｄ１９和Ｄ２０不亮。当电压高于Ｅ３的　４引脚电压，比较器Ｅ３的２引脚输出高电平，Ｄ１９　点亮：当电压低于Ｅ４的７引脚，比较器１引脚输出　高电平，Ｄ２０点亮，从而指示割炬的升高或降低。调　节ＶＲ３电位器中点电压，改变Ｅ４的４引脚和７引　脚电压，使其始终箝位于０，３　Ｖ，实际上就是改变割　炬离钢板的实际距离。由图２看出，当割炬离钢板　时，霍尔传感器和Ｂ４都输出低电压，甚至低于Ｅ２　的８引脚电压，使Ｅ２的１４引脚输出低电平，从而　控制Ｍ１模拟开关的１２引脚和６引脚，Ｍ１变为开　路状态。比较器信号无法通过，割炬保持静止。　２．５断弧提升器　起弧后，霍尔传感器产生的电压通过Ｄ１送至　Ｅ１的１１引脚，由于Ｅ１的１０引脚的发光二极管被　箝位于２　Ｖ，所以当霍尔传感器起弧后输出电压低　于２　Ｖ时就为断弧，处于断弧状态时Ｅ１的１１引脚　电压比１０引脚电压低，１３引脚输出低电平，该下降　的低电平通过微分电路ｃ２和尺１７产生下降的负向　微分信号来触发ＮＥ５５５单稳态２引脚。ＮＥ５５５在电　源打开瞬间产生一个控制模拟开关的输出电压，选　通模拟开关，这样Ｍ１的脉冲能够顺利通过引脚．使　割矩产生提升动作，从而为自动定位作好准备。即　使在数控机切割爬坡过程中，突然断弧，割炬也会　顺速提升，割炬避免与钢板碰撞，从而保护割炬　２．６模拟开关手动自动转换器　模拟开关是由两片ＣＤ４０６６集成电路组成，用　于控制手动和自动调节割矩高低。自动状态下，Ｋ３　处于自动档位，控制Ｍ２的６引脚和１２引脚来选通　Ｍ２，使上升信号和下降信号顺利通过Ｍ２模拟开　关，发光二极管Ｄ２１可指示自动和手动状态．Ｄ２１　点亮时表示自动状态，反之为手动状态。也可通过　手动调节ＳＢ１和ＳＢ２，以实现割矩高低调节。　流电机正转。通过丝杠带动割炬向下运动，割炬碰　到钢板，钢板顶起割炬，直到割炬触头碰到微动开　关Ｌ１。Ｌ１微动开关闭合，触发单稳态延时电路Ｇ２　的８引脚，９引脚输出阶跃上升信号，可迅速输入到　Ｇ１的２引脚复位端，使５引脚停止输出高电平，以　终止割炬继续下降。该信号同时通过Ｄ２９加到模拟　开关Ｍ１的１３引脚．以选通Ｍ１的１引脚和２引　脚，这时Ｇ２的９引脚输出的振荡方波加到Ｍ１的１　引脚，由于Ｋ３处于自动状态，Ｍ２的１１引脚和１０引　脚处于选通状态，振荡方波通过Ｍ２的１１引脚和１０　引脚，传输到光电耦合驱动电机电路，从而驱动直流　电机反转，Ｇ２的９引脚延时单稳时间或割炬上升定　位时间，或直流电动机反转提升割炬时间。定位后，　Ｇ２触发单稳态电路Ｈ器件５５５的２引脚．Ｈ通过　Ｒ３１和Ｃ１３时间常数的积分延时．３引脚输出一个　脉冲方波，通过Ｄ２９和光耦，使继电器上电．常开触　点闭合，启动起弧开关，传送至等离子发生器，使得　强大的电流击穿钢板，起弧成功。霍尔传感器采样　起弧信号，输出电压，传送至Ｂ１的３引脚，使Ｂ１的　１引脚输出变化的电压，从而实现调节。　２．８可变占空比产生器　手动和自动振荡器组成可变占空比发生器。其　原理是由Ｆ１与Ｒ４０、Ｒ４１、ＶＲ５、Ｄ３２、Ｄ３３、Ｃ１６组成　无稳态多谐振荡器。Ｄ３２、Ｄ３３分别是充电和放电回　路的导通管。　调节ＶＲ５不会影响振荡周期Ｔ，但可改变占空　系数，即改变脉冲宽度，也就是改变电机的旋转速　度和割炬的上升速度和下降速度　２．９光电耦合与电机驱动电路　比较电路的高低调节信号通过光耦ＶＬＣ１和　ＶＬＣ３传送至功率驱动电路，使得电机驱动电路与　模拟开关电路光电隔离，这样可减少模拟开关电路　的干扰。光电耦合与电机驱动电路如图４。　当上升信号通过ＶＬＣ１时，Ｄ３６的发光二极管　维普资讯 http://www.cqvip.com 一６６一　《国外电子元器￣｝２００８年第５期　２００８年５月　１６　Ｖ／－６　１　Ｊ　Ｖ１　Ｒ４８　工　、ｏ　＼１：　ｚ　。　保险　３．　．１４　Ｍ　一１　３　直流　电机　Ｖ３　Ｒ５５　］１　２　ｖＬｃ３，　ＳＡ１３０３　ＳＡ１３０２　彤．　８∞一　卜　ｌ　　ｌ嘲脚．　。ｒ。　３ＤＡＢ７　Ｒ５６　。　¨　湖¨磐咎　＼上＼　）。　Ｄ４１　，　一　Ｖ１卜　　０Ｉ　ＩＲ６０　图４光耦合与电机驱动电路　导通发亮，并在Ｒ４５上建立电压。该电压加在三态　门Ｓ１的２引脚和三态门Ｓ４的１２引脚端，与此同　卫　免烧坏后续驱动管。当电机电流超过Ｖ６、Ｖ７、或　Ｖ９、Ｖ１０驱动管额定电流时，驱动管可能被烧坏。因　时，由于ＶＬＣ３无信号，Ｄ３７截止，在Ｒ４７上无电压，　此，采用７４ＬＳ１２５三态门互锁，并在ｖ７和Ｖｌ０发射　该低电平信号通过Ｓ２。输出给Ｓ１控制端，Ｓ１二三态　极增加采样电阻。当采样电压超过光耦导通电压。　门选通。Ｓ１导通的同时，选通的Ｓ４输出信号加到　光耦输出将调高的信号电压短路。使信号电压不能　Ｓ３三态门控制端。封锁Ｓ３三态门导通。　通过ＶＬＣ１或ＶＬＣ２，这样就保护了驱动管。　当下降信号通过ＶＬＣ３时。Ｄ３７导通，并在Ｒ４７　上建立电压。该电压加到Ｓ３的９引脚和Ｓ２的５引　３割炬定位结构系统图　脚。与此同时，由于ＶＬＣ１无信号，Ｄ３６截止。Ｒ４５上　割炬定位机械结构是由霍尔传感器、水电缆、　无电压，该低电平信号通过Ｓ４。输出给Ｓ３的控制　微动开关、触头、上夹紧盘、割炬夹、压缩弹簧、下夹　端，Ｓ３三态门选通：在Ｓ２导通的同时，选通的Ｓ２输　紧盘、信号线、丝杆、直流电机组成。上夹紧盘、下夹　出信号加到Ｓ１的三态门控制端。封锁Ｓ１　紧盘和压缩弹簧夹紧割炬。割炬穿过割炬夹圆孔。　当Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４选通时，Ｖ１、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ４、Ｖ１０导　割炬夹圆孔直径比割炬直径稍大一些，这样可在夹　通；Ｖ２、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ８、Ｖ９截止。由于Ｖ６和Ｖ１０导通，　圆孑Ｌ中上下活动。由于弹簧和重力的作用，割炬平　整流的直流１１０　Ｖ电压直接加在电机两端，电机正　稳垂直地放在割炬夹圆盘上，水电缆穿过霍尔传感　转。电容探头提升；当Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４选通时。Ｖ２、Ｖ７、　器，霍尔传感器采集切割变化的电流。如图５所示。　Ｖ３、Ｖ８、Ｖ９导通；Ｖ１、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ４、Ｖ１０截止。由于Ｖ９　割炬定位时向下运动，割炬碰到钢板后，钢板顶起　和Ｖ７导通。整流的直流１１０　Ｖ电压直接加在电机　割炬，这时割炬与割炬夹产生相对运动，弹簧被压　两端。电机反转。电容探头下降。　缩。直到割炬触头碰到微动开关Ｌ１。Ｌ１闭合产生的　该电路受外界电磁干扰或者误操作，同时按动　触发信号通过信号线传给自动高低调节器，通过触　“上升”和“下降”按钮。可能导致ＶＬＣ１和ＶＬＣ２同　发单稳延时电路。产生割炬上升定位时间。也是直　时选通，但由于７４ＬＳ１２５三态门具有保护作用，只　流电动机反转提升割炬时间。由于割炬的提升。压　允许上升或下降信号通过。电路具有互锁性，可避　缩弹簧逐渐恢复．如果事先通过自动高低调节器设　维普资讯 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霍尔传感器一种特殊的应用　霍尔传感器　－６７－　３　Ｖ和８　Ｖ之间，然后把Ｋ３打在自动位置，就可以　测量。　根据实际情况霍尔传感器可选型为：４０　Ａ／４　Ｖ，　６０　Ａ／４　Ｖ，８０　Ａ／４　Ｖ，１００　Ａ／４　Ｖ，１２０　Ａ／４　Ｖ，１６０　Ａ／　４　Ｖ，２００　Ａ／４　Ｖ，３００　Ａ／４　Ｖ。霍尔传感器与高低调节　器之间连接，应使用屏蔽电缆，屏蔽线接地，以免等　离子起弧时，空间的强大电磁干扰把霍尔传感器里　面的电路击穿而损坏。　５　结束语　霍尔传感器应用到数控切割中是等离子切割　图５割炬定位结构图　机一种新的调节方法。这种方法不但切割后工件质　定割炬提升时间常数，从而确定割炬提升后割炬与　钢板的距离，获到割炬与钢板的最佳起弧距离。　量好，精度达到要求，同时还减轻了操作者的劳动　强度。该系统设计不但可用于常规的套料切割，还　４调试与使用　系统使用前应进行电路自检。首先打开电源开　关，这时电机提升，Ｄ３６点亮，说明Ｄ单稳态３引脚　可以用于水下套料切割，省时、省力、自动化程度高，　安全可靠，通过多年的实际应用，使用效果良好。　参考文献：　Ⅲ赵继文．传感器与应用电路设计［Ｍ］．北京：科学出　版社．２００２年．　输出高电平；按下ＳＢ１和ＳＢ２，割炬上升或下降，说　明Ｆ１和Ｆ２振荡器和功率驱动正常；自动／手动开关　Ｋ３置于自动状态位，按下ＳＢ３按钮，Ｄ３６先点亮，瞬　间熄灭后，Ｄ３７点亮，接着熄灭，说明Ｇ１和Ｇ２定位　系统正常；Ｋ１和Ｋ２分别打在１和２位置，调节　ＶＲ１电位器，如果三位半板表有电压变化指示，说　明运算放大器Ｃ１和Ｂ正常；板表测到一个电压值，　再左右调节ＶＲ３电位器，如果Ｄ１９和Ｄ２０交替点　［２］李青山．集成电子技术原理与工程应用［Ｍ］．哈尔　滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９１．　［３］童诗白．模拟电子技术基础［Ｍ】．北京：人民教育出　版社．１９８１．　作者简介：罗伯绥（１９５８一），男，湖南衡东人，物理实　验讲师，主要从事物理实验教学和传感器应用研　究。　亮，说明比较器Ｅ正常的　Ｋ１打在１位置，Ｋ２打在２位置，Ｋ３在手动位　置，启动起弧测量。如果板表测量值在３　Ｖ和８　Ｖ　之间，将Ｋ２设在３位置，并调节ＶＲ３，使电压介于　．　—　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　收稿日期：２００７—１２—２８　稿件编号：２００７１２０２８　耻．　—　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．　．Ｓ　●业界资讯　最新３２位ＰＩＣ３２　ＭＣＵ　于ＵＳＢ的低功耗ＳｏＣ解决方案。该内核的架构具有最大的　灵活性、高性能和低成本的特点。该器件控制器以全速和低　速数据速率运行，该架构是一种同件与硬件的融合，有助于　为特定应用优化嵌入式主机控制器的部署。协议识别ＤＭＡ　引擎可通过硬件独立控制数据传输来卸载系统处理器。　Ｃｈｉｐｉｄｅａ的ＵＳＢ　２．０解决方案可用于任何技术．为客户　ＭＩＰＳ科技公司宣布其全速ＵＳＢ　２．０　Ｏｎ—ｔｈｅ—Ｇｏ（ＯＴＧ）　功能ＩＰ核已被美围微芯科技公司（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｖ　Ｉｎｃ．）采用，为其３２位ＰＩＣ３２微控制器（ＭＣＵ）系列提供ＵＳＢ　功能。该功能可帮助嵌入式设计人员简单而经济有效地将先　进的ＵＳＢ连接构建在其设备上。在ＭＩＰＳ３２　Ｍ４Ｋ处理器核　的推动下，ＰＩＣ３２　ＭＣＵ系列利用了ＭＩＰＳ科技的模拟和处理　器业务部的ＩＰ　Ｃｈｉｐｉｄｅａ全速ＵＳＢ　２．０　ＯＴＧ控制器是一款高度优化的　低门数ＩＰ核，有利于系统开发人员部署小型、经济有效的基　提供满足其特定需求的最广泛和最多功能的产品组合。模拟　业务部Ｃｈｉｐｉｄｅａ还有一个专门的团队．为设计流程每一步　的集成提供支持。　咨询编号：２００８０５１０２