基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计

发布时间：2015-08-16 阅读量：1048 来源: 我爱方案网作者:

【导读】我爱方案网小编为大家介绍基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计的不断推陈出新，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。

0 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C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测最的直流电机转速测量系统。

1.1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：

导读：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。 0 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C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测最的直流电机转速测量系统。 l转速测量及控制的基本原理 1.1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。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，结果在器件的两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。 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C8051F060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（P）的输出系统式为：　　式中：Y为调节器的输出；e（t）为调节器的输入，一般为偏差值；Kp为比例系数从上式可以看出，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系统的硬件软件设计 2.1硬件设计本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果，硬件组成如图1所示。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速。控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1 ms，初始化时TH0=（-SY-SCLK／1 000）》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。 2.2软件设计本系统采用C8051F060中的IWT0中断对转速脉冲计数。定时器T1，工作于外部事件计数方式，对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式，均工作于方式1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（1）可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，程序流程如图2、图3所示。 3实验测试结果根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5%以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降，函数关系如式（3）所示。 4结论本测速系统彩集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5%以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。

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。

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，结果在器件的两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。

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C8051F060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（P）的输出系统式为：

式中：Y为调节器的输出；e（t）为调节器的输入，一般为偏差值；Kp为比例系数

从上式可以看出，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系统的硬件软件设计

2.1硬件设计

本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果，硬件组成如图1所示。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速。

控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。

系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1 ms，初始化时TH0=（-SY-SCLK／1 000）》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。

2.2软件设计

本系统采用C8051F060中的IWT0中断对转速脉冲计数。定时器T1，工作于外部事件计数方式，对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式，均工作于方式1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（1）可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，程序流程如图2、图3所示。

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3实验测试结果

根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5%以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降，函数关系如式（3）所示。

本测速系统彩集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5%以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。

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