基于霍爾傳感器的電磁激振器電流檢測系統(tǒng)設計

曹青松，向 琴，熊國良

(華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013)

0 引言

激振器是用于為某些機械和設備產(chǎn)生激勵力的裝置，它一般分電動力式、電磁式和液壓式3種。其中，電磁式激振器具有體積小、重量輕、激振力大以及非接觸式等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域應用廣泛[1-3]。作為許多工程應用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，電磁激振器保持良好的工作狀態(tài)至關(guān)重要。電磁激振器內(nèi)部鐵芯上有兩組線圈，分別通入直流電流與交變電流，直流電流產(chǎn)生恒定偏磁力，交變電流產(chǎn)生交變電磁力，只有在保證交變電磁力小于恒定偏磁力的條件下才能使得銜鐵產(chǎn)生幅值合適且不失真的諧波振動，故應使交變電流幅值小于直流電流值[4]。電磁激振器的直流電流值通常是恒定的，因此須實時檢測交變電流幅值，確保其始終在合理范圍內(nèi)。

電流檢測方法一般有接觸式和非接觸式兩種，接觸式的檢測方法使用較多，其優(yōu)點在于檢測精度高，但屬于侵入式測量，兩部分電路可能存在干擾，并且檢測電路位置無法移動；非接觸式電流檢測通常是利用某些電磁效應的間接測量方法，被測電路不受檢測電路影響，二者相互隔離[5]?；魻杺鞲衅魇且环N典型的非接觸式電流檢測元件，近年來在電氣測量領(lǐng)域備受親睞[6-7]，它具有較高精度，良好線性度，低溫漂，響應快，頻帶范圍寬，抗干擾能力強等優(yōu)點。

鑒于上述分析，文中設計了基于霍爾傳感器的電磁激振器電流檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用霍爾傳感器進行電流檢測，通過A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)交流采樣，選用數(shù)碼管實時顯示檢測值。最后進行了模擬測試，分析了系統(tǒng)測量精度。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，主要包括單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、霍爾傳感器和數(shù)碼管4個部分。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，應用霍爾傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對電磁激振器的電流檢測。電磁激振器工作需要通入交流電，為便于模擬測試，采用交流恒流源輸出一定幅值的交變電流激勵電磁激振器工作，二者的傳輸導線穿過霍爾傳感器，利用單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器采集傳感器的輸出信號，并運用算法處理數(shù)據(jù)，最終結(jié)果用于數(shù)碼管顯示及作為蜂鳴器與繼電器反應的判據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

1．1單片機

系統(tǒng)采用的STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。圖2為系統(tǒng)硬件電路圖，單片機P1口為數(shù)字量讀入接口，P0口輸出數(shù)據(jù)用于數(shù)碼管顯示，P3．2為片選信號接收端口，P3．3為A/D轉(zhuǎn)換完畢信號接收端口，P3．6與P3．7分別為讀、寫端口，P2．7為繼電器控制輸出端口。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

1．2霍爾傳感器

霍爾傳感器所利用的霍爾效應是指在半導體薄片兩端通一控制電流I，并在薄片的垂直方向加上磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向，將產(chǎn)生電勢差為VH的霍爾電壓。

霍爾電勢VH的大小，由式(1)決定：

VH=KHIBsinα

(1)

式中：KH為霍爾常數(shù)，表示單位磁感應強度和單位控制電流下所得的開路霍爾電勢，它取決于材質(zhì)、元件尺寸，并受溫度變化影響；α為電流方向與磁場方向夾角。

通電導線會產(chǎn)生環(huán)形磁場，并有Id∝VH∝B，其中Id為導線電流，將霍爾傳感器置于環(huán)形磁場中即產(chǎn)生霍爾電勢VH，從而反推出導線電流值[8]。

該系統(tǒng)選用BJHCS-LSP3-10型閉環(huán)霍爾電流傳感器，它能夠測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則電流等。傳感器的輸出為模擬信號，能反映通電導體的的真實波形。根據(jù)其電氣特性，測量電路中的電流值ik的計算公式為：

(2)

式中：UOUT為霍爾電流傳感器的輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值，電壓值范圍為0.4～2.9 V．

1．3A/D轉(zhuǎn)換器

由于STC89C52片內(nèi)沒有A/D轉(zhuǎn)換模塊，而傳感器的輸出為模擬信號，根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，需要在片外擴展A/D轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用8位逐次逼近型的ADC08 04轉(zhuǎn)換器，其模擬輸入電壓VIN為0～5 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換時間約為100 μs．如圖2所示，在CLKIN、CLKOUT端設計RC振蕩電路，由于ADC0804頻率在fCLK<1 MHz時才能保證精度，故根據(jù)公式fCLK=1.1RC，選擇電阻R=20 kΩ，電容C=100 pF．ADC0804的VCC管腳接+5 V電壓，其Vref/2管腳不接時默認參考電壓為5 V，為提高轉(zhuǎn)換精度，將Vref/2管腳接電壓1.25 V，即參考電壓為2.5 V．設：霍爾傳感器輸出的模擬信號為X，輸入單片機的電壓數(shù)字量為UOUT，則

(3)

在式(3)的基礎(chǔ)上通過式(2)計算出被測電流值。

1．4數(shù)碼管顯示

利用數(shù)碼管顯示交變電流的幅值。數(shù)碼管為共陰極8段數(shù)碼管，其段選編碼為{0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f，0x77，0x7，0x39，0x5e，0x79，0x71}；位選編碼為{0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf}；鎖存器采用2個74HC573，段選鎖存連接單片機P2．6端口，位選鎖存連接P2．7端口。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方法，通過單片機P0口將交變電流幅值傳輸給鎖存器，再逐位顯示在數(shù)碼管上。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)設計流程圖如圖3所示，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、延時模塊、A/D采樣模塊、中斷模塊以及數(shù)碼顯示模塊。

圖3 系統(tǒng)設計流程圖

2．1主要程序模塊

主程序是協(xié)調(diào)各子程序并實現(xiàn)設計功能的程序主體。首先，系統(tǒng)初始化，上電延遲，選擇定時器0，打開總中斷及定時器0中斷，并確定計時時間；然后，使A/D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣N次，采用交流采樣算法對數(shù)據(jù)進行處理，計算出交變電流幅值，將其與設定的最大電流值進行比較，如果檢測值大于最大電流值即過流，接入在主電路的繼電器斷開，蜂鳴器報警并在數(shù)碼管上顯示“—”，反之，則啟動定時器0，數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示檢測值，顯示1 s后，返回到ADC0804啟動環(huán)節(jié)，重復檢測。

延時模塊用于系統(tǒng)上電延遲，以防止檢測系統(tǒng)檢測到上電信號或者隨機信號，影響檢測精度。

A/D采樣模塊是實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序模塊，該模塊返回值為霍爾傳感器測得的電壓瞬時值，需在主程序中將其按式(2)換算為電流瞬時值。

中斷模塊是用于計時的中斷程序，在程序中主要用于控制數(shù)碼管動態(tài)掃描時間間隔。數(shù)碼管動態(tài)掃描是利用人眼視覺滯留原理，通過設置中斷計時時間，來控制數(shù)碼管逐位顯示的速度，當速度足夠快時，人眼觀察為幾位數(shù)碼管同時顯示數(shù)值。

數(shù)碼管顯示模塊是用于顯示被測電路電流值的程序，在檢測系統(tǒng)中，選擇三位數(shù)碼管進行顯示，示值范圍設置為0.00～9.99 A．采用動態(tài)掃描法顯示電流值，在循環(huán)程序中，設置位選編碼及該位數(shù)碼管示值的段選編碼，逐位顯示。需要注意，顯示前應先將數(shù)碼管輸入接口P0口置1，即數(shù)碼管所有引腳接高電平，從而避免顯示出現(xiàn)疊影。

2．2交流采樣

霍爾傳感器能夠檢測交變電流，但輸出為模擬量，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采樣后，傳送到單片機內(nèi)的數(shù)字量為交變電流在檢測時刻的瞬時值。根據(jù)電磁激振器的工作原理可知，需要限制的參數(shù)為通電電流的幅值，因此，需要運用交流采樣技術(shù)進行信號的采集，并利用交流采樣算法處理信號。

交變電流的幅值Im與有效值Irms的關(guān)系式：

(4)

交變電流的有效值Irms的定義式：

(5)

將電流有效值公式離散化，以單個周期內(nèi)有限個采樣電流數(shù)字量來代替該周期內(nèi)連續(xù)變化的電流函數(shù)值，則上式為：

(6)

式中：ΔTk為相鄰兩次采樣的時間間隔；ik為第k-1個時間間隔的電流采樣瞬時值；N為單個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。

假設時間間隔ΔTk為一個常數(shù)，可知N=T/ΔTk+1，將此式帶入式(4)、式(6)，則單個周期內(nèi)電流的幅值為：

(7)

每個周期等時間間隔采樣N個點，電磁激振器交變電流的頻率為f，則實際的采樣時間間隔為[(N-1)f]-1。系統(tǒng)中，N=36，f=50 Hz，因此，采樣時間間隔為0.57 ms．將各采樣點數(shù)據(jù)按式(7)疊加，即可獲得交變電流的幅值。

3 模擬測試

為驗證檢測系統(tǒng)的準確性，進行了模擬測試。測試結(jié)果如表1所示。其中I0為交流恒流源實際輸出的交流電幅值，Im為檢測系統(tǒng)顯示測量值，設置電流最大值為9.99 A，測量誤差公式為：

ε=|Im-I0|/I0

(8)

表1 測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠?qū)﹄娐愤M行實時電流檢測、顯示測量值，具有過流報警功能。并且測量幅值接近霍爾傳感器額定值的電流時，系統(tǒng)誤差較小，反之誤差較大，因此，在進行傳感器的選型時應充分考慮電磁激振器工作電流的取值范圍，以減小系統(tǒng)測量誤差。

4 結(jié)束語

針對如何實時檢測電磁激振器交變電流幅值的問題，文中根據(jù)霍爾效應測導線電流的基本原理，運用交流采樣技術(shù)，設計了基于霍爾傳感器的電磁激振器電流檢測系統(tǒng)。模擬測試表明，檢測系統(tǒng)能夠滿足設計要求，將該系統(tǒng)作為電磁激振器的控制電路，即可對電磁激振器進行電流的實時檢測與主電路的過流保護，避免了電磁激振器在工作中產(chǎn)生非諧波振動而導致經(jīng)濟損失，具有一定的工程實踐應用價值。

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作者簡介：曹青松，副教授，博士，主要從事無損檢測、機電一體化以及振動控制等方面的研究。

E-mail：2000cqs@163．com．

向琴，碩士研究生，主要從事機電一體化方面的研究。

E-mail：xiangqin199012@sina．com．