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霍爾傳感器的一種特殊應用

人氣: | 時間:2014/4/8 10:05:02 | 關閉

        1 引言
      等離子自動高低調節器是切割機中必不可少的配套設備,廣泛應用於大型裝備製造、造船和切割等領域,其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割間隔,消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能正確獲取切割割炬與鋼板的間隔,這就必然影響鋼板的切割質量。切割的弧電流強光會給操縱職員造成視覺疲憊。因此,給出了一種基於霍爾傳感器的設計方案,保證切割過程中割縫寬度均勻,切割精度進步。

         2 係統設計
      該設計方案利用霍爾效應原理產生隨磁場變化而產生變化的電壓,把變化的電壓送到自動高低調節器,控製割炬的上升與下降,形成一個閉環的自動高低調節係統,如圖1所示。該閉環自動控製係統由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關手動自動轉換器、光電耦合器、三態門互鎖器、電機驅動器以及機械絲杆傳遞定位係統組成。圖2所示是係統控製電路圖,從而能在切割過程中實時控製割炬與鋼板的間隔,有效保證鋼板的切割質量。

 
2.1 霍爾傳感器
      將一塊導體板置於磁場,使磁場的磁感應強度B的方向與板垂直,當導體板中流經一定電流時,垂直於磁場和電流方向的導體板的橫向兩側會產生一定的電勢差,這一現象稱為霍爾效應。霍爾傳感器是根據該原理製成的。圖3是一個霍爾傳感器,它共有4個接線端,分別為接地、+5 V,-5 V和電壓輸出,水電纜通過中間空心圓。


      等離子發生器起弧後,霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流,水電纜中的電流穿過霍爾傳感器,在其四周產生恒定磁場。向霍爾傳感器預先施加一恒壓,產生一恒定電流,霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。假如切割電流有微小變化,則產生變化的磁場,而輸出的霍爾電壓也是變化的,這樣就把切割中的變化電流轉化為變化電壓,輸出的霍爾電壓包含有幹擾信號,其高頻信號的範圍較寬,這就需對信號電壓進行高頻濾波,從而獲取有用信號,再將其信號送至等離子自動高低調節器。以運算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓,並通過調節VR1改變其輸出電壓,也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。


2.2 高頻濾波電路
      高頻濾波電路由C1,L1,R1組成。由於高頻信號經LM324運算放大器後,還有部分雜散的高頻信號沒有濾除,電容C1用於濾除高頻信號,而電感L1阻礙高頻信號,隻答應被檢波的低頻解調信號通過,這樣在負載R1上就建立了微弱的電壓信號。
2.3 差分運算放大器
      運算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸進B1的引腳3,引腳3緩衝輸出,用於隔離信號源,進步負載驅動能力。D2和D3二極管具有箝位作用,正向導通,信號電壓被耦合至R2,R2上的電壓隨R1變化,具有電壓跟隨器的作用,R2的電壓輸進至後續B2的12引腳,14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸進、單端輸出放大信號,將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸進至差分放大器B4的5引腳和6引腳,由B4的7引腳輸出放大後的信號。
2.4 比較器
      控製係統中的比較器將差分運算放大器B4輸出的電壓施加至LM339比較器的E3和E4的5引腳和6引腳,而4引腳和7引腳被二極管D5箝位於0.3 V。當差分運算放大器輸出的電壓落在5引腳和6引腳中,即輸出電壓比E3的4引腳電壓低,而高於E4的7引腳,比較放大器的E3的2引腳和E4的1引腳無電壓輸出。這時割炬與鋼板的間隔保持靜止,發光二極管D19和D20不亮。當電壓高於E3的4引腳電壓,比較器E3的2引腳輸出高電平,D19點亮;當電壓低於E4的7引腳,比較器1引腳輸出高電平,D20點亮,從而指示割炬的升高或降低。調節VR3電位器中點電壓,改變E4的4引腳和7引腳電壓,使其始終箝位於0.3 V,實際上就是改變割炬離鋼板的實際間隔。由圖2看出,當割炬離鋼板時,霍爾傳感器和B4都輸出低電壓,甚至低於E2的8引腳電壓。使E2的14引腳輸出低電平,從而控製M1模擬開關的12引腳和6引腳,M1變為開路狀態。比較器信號無法通過,割炬保持靜止。
2.5 斷弧提升器
      起弧後,霍爾傳感器產生的電壓通過D1送至E1的11引腳,由於E1的10引腳的發光二極管被箝位於2 V,所以當霍爾傳感器起弧後輸出電壓低於2 V時就為斷弧,處於斷弧狀態時E1的11引腳電壓比10引腳電壓低,13引腳輸出低電平,該下降的低電平通過微分電路C2和R17產生下降的負向微分信號來觸發NE555單穩態2引腳。NE555在電源打開瞬間產生一個控製模擬開關的輸出電壓,選通模擬開關,這樣M1的脈衝能夠順利通過引腳,使割矩產生提升動作,從而為自動定位作好預備。即使在數控機切割爬坡過程中,忽然斷弧。割炬也會順速提升,割炬避免與鋼板碰撞,從而保護割炬。
2.6 模擬開關手動自動轉換器
      模擬開關是由兩片CD4066集成電路組成,用於控製手動和自動調節割矩高低。自動狀態下,K3處於自動檔位,控製M2的6引腳和12引腳來選通M2,使上升信號和下降信號順利通過M2模擬開關,發光二極管D21可指示自動和手動狀態,D21點亮時表示自動狀態,反之為手動狀態。也可通過手動調節SBl和SB2,以實現割矩高低調節。
2.7 定位起弧電路
      自動定位時,K3處於自動狀態,按下SB3按鈕,觸發單穩態556器件C1的6引腳,其5引腳輸出的高電平通過D28加到M1的5引腳,選通模擬開關M1的3引腳和4引腳,這時F1器件的9引腳輸出振蕩方波加到M1的3引腳。由於K3處於自動狀態,M2的6引腳和12引腳處於高電平,振蕩方波通過M2傳輸給光電耦合驅動電機電路,從而驅動直流電機正轉。通過絲杠帶動割炬向下運動,割炬碰到鋼板,鋼板頂起割炬,直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1微動開封閉合,觸發單穩態延時電路G2的8引腳,9引腳輸出階躍上升信號,可迅速輸進到G1的2引腳複位端,使5引腳停止輸出高電平,以終止割炬繼續下降。該信號同時通過D29加到模擬開關M1的13引腳,以選通M1的1引腳和2引腳,這時G2的9引腳輸m的振蕩方波加到M1的1引腳,由於K3處於自動狀態,M2的11引腳和10引腳處於選通狀態,振蕩方波通過M2的11引腳和10引腳,傳輸到光電耦合驅動電機電路,從而驅動直流電機反轉,G2的9引腳延時單穩時間或割炬上升定位時間,或直流電動機反轉提升割炬時間。定位後,G2觸發單穩態電路H器件555的2引腳,H通過R31和C13時間常數的積分延時,3引腳輸出一個脈衝方波,通過D29和光耦,使繼電器上電,常開觸點閉合,啟動起弧開關,傳送至等離子發生器,使得強大的電流擊穿鋼板,起弧成功。霍爾傳感器采樣起弧信號,輸出電壓,傳送至B1的3引腳,使B1的1引腳輸出變化的電壓,從而實現調節。
2.8 可變占空比產生器
      手動和自動振蕩器組成可變占空比發生器,其原理是由F1與R40、R41、VR5、D32、D33、C16組成無穩態多諧振蕩器。D32、D33分別是充電和放電回路的導通管。
      調節VR5不會影響振蕩周期T,但可改變占空係數,即改變脈衝寬度,也就是改變電機的旋轉速度和割炬的上升速度和下降速度。
2.9 光電耦合與電機驅動電路
      比較電路的高低調節信號通過光耦VLC1和VLC3傳送至功率驅動電路,使得電機驅動電路與模擬開關電路光電隔離,這樣可減少模擬開關電路的幹擾。光電耦合與電機驅動電路如圖4。


      當上升信號通過VLC1時。D36的發光二極管導通發亮,並在R45上建立電壓。該電壓加在三態門S1的2引腳和三態門S4的12引腳端,與此同時,由於VLC3無信號,D37截止,在R47上無電壓,該低電平信號通過S2,輸出給S1控製端,S1 三態門選通。S1導通的同時,選通的S4輸出信號加到S3三態門控製端,封閉S3 三態門導通。
      當下降信號通過VLC3時,D37導通,並在R47上建立電壓,該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時,由於VLC1無信號,D36截止,R45上無電壓,該低電平信號通過S4,輸出給S3的控製端,S3三態門選通;在S2導通的同時,選通的S2輸出信號加到S1的三態門控製端,封閉S1。
      當S1、S2、S4選通時,V1、V5、V6、V4、V10導通;V2、V7、V3、V8、V9截止。由於V6和V

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