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传感器与徽系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）２０１１年第３０卷第７期
霍尔传感器在直流电机转速测量中的应用研究＋
郭清，王元昔
（哈尔滨工程大学工程训练中心。黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：采用霍尔传感器和ＡＴ８９Ｓ５２单片机控制步进直流电机转速，介绍了测速原理与软硬件设计方法。通过１６０２ＬＥＤ显示电机转速值，根据需要可调整控制电机的转速。测试结果表明：该转速测量系统满足设计要求，具有硬件结构简单、性价比较高、易于调节电机转速及系统性能稳定等优点。关键词：霍尔传感器；步进直流电机；ＡＴ８９Ｓ５２；转速测量中图分类号：ＴＮ２５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－９７８７（２０１１）０７－００５４－０３
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈａｌｌ
ｓｅｎｓｏｒｓ；ｓｔｅｐｐｅｒ
ＤＣｍｏｔｏｒ；ＡＴ８９Ｓ５２；ｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
０引言
在发动机、电动机、储能飞轮等旋转设备的试验运转和控制中，经常需要分时或连续测量转速。转速测量是了解电机转速高低，控制电机速度最常用的一种方法。而测速围１系统总体绪构框图
仪成本较高，性价比低，为了能精确地测量转速，同时保证№１
Ｏｖｅｒａｌｌ
ｎｍ№ｄｉａｇｒａｍ
测量的宴时性，本文研究提出一种基于ＡＴ８９５５２单片机进由霍尔效应原理可知，当霍尔元件处于磁场中，并在垂行电机转速测量的方法。利用霍尔传感器检测到的信号来直于磁场的方向上通以电流时，霍尔元件上和电流与磁场计算电机转速。通过单片机定时器编写计数算法，将转速垂直的方向会产生霍尔电势差。当通过霍尔元件的电流恒定不变时，改变磁场的大小，能够改变霍尔电势差。当霍尔
结果显示在１６０２ＬＣＤ液晶上，实现电机转速的宴时获取。
元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时，在霍尔输出端
实验测试结果表明：基于霍尔传感器的测量系统性能稳定，
口就会有电压输出。研究采用的霍尔传感器ＮＪＫ－５００２．检
达到设计要求。测电机转速位置如图２所示。用磁钢来提供霍尔能感应的ｌ霍尔传感器
磁场．在非磁材料的转盘边上粘贴一块磁钢，鬈尔传感器固科学家爱德文・霍尔在１８７９年发现丁霍尔效应“１，霍定在转盘外缘附近。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输尔传感器是以霍尔技应为原理制成的一种磁传感器。它能出低电平。把转盘安装在电机轴上，就可测出电机转速。够检测磁场与周围磁场的变化，可应用于与磁场有关的场如需增加测量转速精度，可在转盘（车轮）上多增加几个磁合中。系统结构框图如图ｌ”１。
钢。
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收疆日期：２０１０－０９－１９
・基盒璃目：中央高校基本科研业务费专项资金赍助项目（ＨＥＵＣＦｌ０１７０６）
万方数据
第７期
郭清，等：霍尔传感器在直流电机转速测量中的应用研究
ｌ尔传露嚣
圈２电机转轮和霍尔位置圈
Ｆｉｇ２
Ｄｉａｇ唧ｏｆｍｏｔｏｒ
ｒｏｔｏｒａｎｄ
ｌＬ讪１０ｌ嚏曲咄
２测速原理
在定子磁场中，永久磁铁的磁力线通向转子．转子转动过程中引起定于磁通发生周期性的变化，从而引起了霍尔元件输出信号的频率变化”Ｊ。常见的转速数字测量方法主要有测频率法和测周期法“１。研究采用测频率法，频率的测量实际上是在１ｓ时问内对信号进行计数．计数值就是信号频率，如图３。即在规定的时间问隔１ｓ内，根据产生的脉冲个数ｎ计算转速。从物理意义上看，转速即频率，只是变换了单位。测速实际上就是测频．测速的方法决定了测速信号的硬件连接。由于传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总是产生相同大小的电压”】。输出信号电压大小与转速无关，即使是在低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。输出信号的强弱与霍尔元件在电机外壳安装位置有关，需要通过实验确定传感器在电机外壳的安装位置．以获得最佳信号效果。利用霍尔传感器感应旋转磁钢产生的垂直磁场和平行磁场信息，转轴每旋转一周．产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送人单片机计数，最终输出检测电机转速。如要增加测量转速的精度，可在圆盘（车轮）上多增加几个磁钢。
图３测速原理田
Ｆｉｇ３
ＰｒＩｎｄｐｋ
ｄｉａｇｒａｍｏｆ叩伸ｄ皿髑啊ＩｎｍＩｅ砒
３控制电路设计
硬件电路主要分为：单片机最小系统、光耦隔离电路（如图４）、模拟电源电路（如图５）、电机保护电路和１６０２ＬＣＤ显示电路。
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囤４光耦隔离电路圈
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Ｌｉｇｈｔ－ｃｏｕｐｌｅｒＩｓｏｌａｔｉｏａｄｒｅｕｉｔ
万方数据
圈５模拟电谭电路田
Ｆｉｇ５
Ａｎａｌｏｇｐｏｗｅｒ
ｍｐｐＪｙｃｈ－ｃｕｉｔ
３，１单片机最小系统
选用５ｌ系列单片机Ａｔ８９Ｓ５２做控制芯片，单片机最小系统提供数字电源。Ａ略９Ｓ５２有４０个引脚，与其他５１系列单片机引脚是兼容的。３．２驱动芯片也９８Ｎ
１２９８驱动芯片是ＳＣＳ公司的产品，为１５脚封装。它内部包含了４通道逻辑驱动电路，可以方便地驱动２个直流电机，或者一个两相步进电机。３．３光耦隔离
为避免Ｌ２９８Ｎ在工作时与单片机产生干扰，用光耦ＴＬＰ５２１－４来隔离数字电路和模拟电路。光耦元件可以很好地解决供单片机使用的数字电路和供［２９８使用的模拟电路，应用ＴＬＰ５２１系列的光耦元件通常有３个型号，即ＴＬＰ５２１－１（４脚），ＴＬＰ５２１－２（８脚）和ｒＬＰ５２１－４（１６脚）。３．４模拟电源
数字电路和模拟电路应该隔离，以避免相互干扰。在电源上也是一样．数字电路和模拟电路需要分别供电，在控制电路板原理图上用不同的符号表示数字电源（ＶＤＤ）和数字地（ＤＧＮＤ）及模拟电源（ＶＣＣ）和模拟地（ＳＣ－ＮＤ）。Ｌ２９８需要５Ｖ电源供电，因此，需要从模拟电源上稳出一个５ｖ。
４测速程序设计
控制软件设计主要包括主程序、中断服务程序及显示相关的功能模块子程序。每到ｌｓ读一次计数值．此值即为脉冲信号的频率，可算出电机转速。由于直流电机转速与施加于电机两端电压大小有关，故将实际测得转速值与预设转速值比较，若大于预设转速值，则减小模拟电压数值。若小于转速预设转速值．则增加模拟电压值。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。程序流程图如图６。
５实验方式与结果
５．１采用分级稳压方式控制电机转速
被测试电机参数为１２Ｖ，１００ｒ／ｍｉｎ，由图５知，模拟电路可为电机提供５—１２Ｖ的直流稳压电源。在５—１２Ｖ间调节供电机驱动的电压值，根据实验测量值和理论分析值绘
出转速测试曲线，如图７。可看出测试电机转速值与理论值基本基本吻合．误差范围控制在５％以内。
传感器与微系统
５．３对比２种测试结果
第３０卷
进行ＰＶｃ＇Ｍ控制电机转速实验时，电机供电电压值为１２ｖ，当ＰＷＭ＝１０时．电机为满功率工作。这样测试的目的是可以和采用分级稳压方式控制电机转速方式相比较，使得２种控制电机的驱动条件一致，即分别采用硬件稠速和软件调速的方式来进行测试。对这２种测试方式进行比较得到相似的测试结果．误差都控制在５％内。测试结果表明：该转速测量系统的控制精度满足设计要求，达到了预
圈６程序流程田
Ｆｉｇ６
１２０１００
期设计目标。６结论
本测速系统采用霍尔传感器捕捉脉冲信号，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控。实现了最初的设计目的，电机在满功率下测量转速和电机实际标配转速一致。设计中充分利用了ＡＴ８９ｓ５２芯片内定时器和外部中断资源，保证丁１ｓ内的时间精度。实验表明：该方法高效可靠．
ｎｍｇⅫｆｌＯｗ
ｃｈａｒｔ
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８０６０４０２０
曩
电机驱动值，ｖ
图７转速测试曲线国
ｎｇ７
Ｐ．Ｃ．ａＵｎｇｓｐｅｅｄ
对中小型电机的转速能够精确测速。参考文献：
［１］董健年，张军，崔艳丽，等利用霍尔传感器研究脉冲功率
ｔｅｓｔ㈣
５．２采用ＰＷＭ控制电机转速
在Ｋｃｉｌ３．０中给出转速预设值ＰＷＭ，即给定常量ＰＷＭ值。观察速度稳定后１６０２ＬＣＤ数值，比较实际测量的转速值和预测转速值．计算出转速测量误差在５％以内，转速测试结果如表１所示。表明测量结果较为准确，在预期设想值范围内。
裹１转速测试结粜
Ｔａｂ１
Ｒｏｔｏｆｉｎｇｓｐｅｅｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ
源模块的磁场梆ｔ［ＪＪ．弹道学报，２００８，２０（４）：１０３－－１０６
［２］张菊秀，龙晓林．开美型霍尔传感器的应用［Ｊ］．电子世界．
２００２（４）：４３
［３］刘建英霍尔传感器在电参量测量中的应用［Ｊ］．中国民航学
院学报，１９９９（４）：２１—２４．
［４］赵树磊，谢吉华，刘永锋．基于霍尔传感器的电机测速装
置［Ｊ］．江苏电器，２００８（１０）：５３－５６．
［５］张健．霍尔传感器的应用浅析［Ｊ］．信息与电脑：理论版，
９．００９（７）：６－９．
作者简介：
郭清（１９７８一），女，黑龙江哈尔滨人．博士研究生，讲师，主要研究方向为单片机与传感器技术应用。
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（上接第５３页）
［２］Ｍｕｌｋ∞ｓＪ，Ｆｌｓｇｃｌｌｏ
Ｄ．Ｂｅｎｅｆｉｔｓ
ｏｆ
ｏｆＦｌｕｉｄＰｏｗｅｒ．２０００，１（１）：２７—３８
ａｎｄｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｏｆｉｎｕｎｅｍｆｏｎＩｉ－
［７］ＶｉｎｏｇｍｄｏｖＡ，ＨｏｌｌｏｗａｙＦ．Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｌｃａｌｐｒ０Ｐ口ｄ∞ｏｆｔｈｅ
ｔｈｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｍｉｅｒｏｌｉｔｈｏｇｍｐｈｙ，Ｍｉｃｒｄａｂｒｉｃａｔｉ∞，ａｎｄ
ｉｃｍｌ∞疵ｐｏｌｙｍｅｒＰＶＤＦ［Ｊｊ．Ｆｅｒｍｅｌｅｃｔｒ／ｃｓ，１９９９，２２６：１６９—
１８１．
Ｍｉｃｍｓｙｓｔｅｍｓ，２００４，３（１）：１０４－－１１４．［３］Ｃｈｕｎｇ
０ｆｔｈｅ
ＭＫＨ．ＺｈａｎｇＮｏｎ￥．Ｉｍｐｅｌｌｅｒｂｅｈａｖｉｏｒ
ａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
［８］ＳｉｉｖｏｌａＪ．Ｎｅｗ
ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ
ｐｉｅｚｅｅｌｅｃｔｒｉｃ№ｍｄⅫｆｏｒ
ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ
０Ⅷ，２００４，２８（３）：２８７－２０７．
［５］
ｖｅｎｔｍｍｉｓｔｉｍｐｌａｍａｂｌｅｍｉｓｔｙＭｏｏｄｐｕｍｐ［Ｊ］．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ
ｏｆｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ．ｈｅａｒｔ－ｒａｔｅａｎｄＢｉｄｏｇｌｃａｉ
ｂｏｄｙｍｏｖｅＤｌｅｉｌｔ［Ｊ］．Ｍｅｄｉｃａｌａｎｄ
ＥＩＩｇｉｎｅｅｒｌｎｇ
ａｎｄ
Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，１９８９，２７（４）：４２３也．
［４］杨金福．杨昆．滑动轴承非线性动态油膜压力分布特性的
研究［Ｊ］．动力工程，２００５，４（２５）：４７７—４８２．
翼宏，傅新．杨华勇．等柱塞泵阻尼槽噪声特性研究［Ｊ］浙江大学学报：工学腹，２００５，５（３０）：６０９—岳１３．［６］Ｏｌｅｍｓ
Ｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｃｅｒｏｆｔｈｅ
［９］金观昌．于森．鲍乃铿．ＰＶＤＦ多点脉搏波计算机辅助测试
系统研究［Ｊ］清华大学学报：自然科学版，１９９９．３９（８）：
１１７－１２０
作者简介：
ｐｉｍｌ
阮晓东（１９６７一），女，浙江临安人，教授。从事流体机械、流动测量及可视化研究。
ｃｙｌｉｎｄｅｒａｍｃｍｂｌｙ
ｉｎ酬ｐｉｍｍｐｍｗ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ
万方数据