李文璋,任海燕,馬亞軍,王　偉,余　菲

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京　100076)

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伺服動(dòng)力裝置用霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的研制

李文璋,任海燕,馬亞軍,王偉,余菲

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076)

為精確測(cè)量伺服動(dòng)力裝置變量柱塞泵的轉(zhuǎn)速，為其設(shè)計(jì)了一種小型化、高靈敏、抗干擾、高可靠、寬溫域的霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器;針對(duì)電感式轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)較低轉(zhuǎn)速測(cè)量不靈敏、易受磁場(chǎng)干擾等缺點(diǎn)，提出了一種霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)方法：利用霍爾電路對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)反應(yīng)靈敏的特性，另外在轉(zhuǎn)速變換電路中配合以較高的閾值電壓，使其具有靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)；并結(jié)合整體任務(wù)要求，對(duì)其進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)、寬溫域材料選用及元器件的降額設(shè)計(jì)等措施；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器可以精確測(cè)量電機(jī)全量程(從低到高)的轉(zhuǎn)速，靈敏度不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，且不受外界磁場(chǎng)的干擾，參數(shù)性能滿足整體要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

霍爾型；轉(zhuǎn)速傳感器；抗干擾；小型化

0　引言

對(duì)于伺服動(dòng)力裝置,轉(zhuǎn)速不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作參數(shù),而且是伺服系統(tǒng)其它參數(shù)計(jì)算的依據(jù)和基準(zhǔn),轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量而得的,如果轉(zhuǎn)速傳感器不能穩(wěn)定地工作,伺服系統(tǒng)也就無法正常工作，因此轉(zhuǎn)速傳感器的性能直接關(guān)系到伺服系統(tǒng)的性能[1]。目前，為測(cè)量伺服動(dòng)力裝置變量柱塞泵的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍為0～20 000 rpm的轉(zhuǎn)速傳感器，要求傳感器在緊湊的安裝空間中、在高溫環(huán)境下，傳感器要有高可靠、高靈敏以及抗干擾能力的性能，且對(duì)低速測(cè)量要求精度較高。對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)量，目前主要有兩類傳感器：電感式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。

電感式轉(zhuǎn)速傳感器有著構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量一般使用電感式傳感器。但電感式轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)電源頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高，因此在轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)有其局限性：1)其輸出信號(hào)的幅值會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化；2)抗電磁波干擾能力差；這些都會(huì)極大地影響任務(wù)的完成[2]。霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器則具有體積小、無觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、無火花、無自激振蕩、耐沖擊、耐高溫和適合于低轉(zhuǎn)速測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，輸出信號(hào)穩(wěn)定，其大小與轉(zhuǎn)速無關(guān),即使是在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,仍能夠獲得較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度，且由于輸出是矩形脈沖信號(hào),很適合于數(shù)字控制系統(tǒng)[3]。

下面針對(duì)兩種傳感器的工作原理進(jìn)行分析。

1　工作原理分析

1.1電感式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

電感式轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的，一般由感應(yīng)線圈和轉(zhuǎn)子兩部分組成：當(dāng)通過傳感器回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化率成正比，記錄下單位時(shí)間內(nèi)感應(yīng)信號(hào)頻率，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速[4]。電感式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由下式得出：

(1)

其中：∑φi為磁通數(shù)(各圈磁通量總和)；N為線圈匝數(shù)；Si為回路面積；Bi為磁通密度。

分析該公式得出：電感式轉(zhuǎn)速傳感器所產(chǎn)生信號(hào)的電壓幅值和頻率取決于被測(cè)物的轉(zhuǎn)速，在低轉(zhuǎn)速情況下，容易造成信號(hào)過弱、信號(hào)缺失等情況。

1.2霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)霍爾原理進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的，一般由霍爾開關(guān)集成電路(以下簡(jiǎn)稱霍爾電路)和磁鋼組成：當(dāng)S極磁場(chǎng)強(qiáng)度高于要求值BOP(工作點(diǎn))時(shí)，芯片導(dǎo)通輸出低電平(0 V)，隨后即使S極磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到要求值BOP以下，霍爾電路也不會(huì)改變導(dǎo)通狀態(tài)，直到N極磁場(chǎng)強(qiáng)度小于要求值-BRP(釋放點(diǎn))時(shí)，電路才截止輸出高電平(電源電壓5 V)。隨著被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾電路輸出與被測(cè)物轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，記錄下脈沖信號(hào)的頻率，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速[5]。

1.3總結(jié)

經(jīng)上述對(duì)比分析，霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)勢(shì)在于：1)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)電壓的幅值和頻率與被測(cè)物的轉(zhuǎn)速無關(guān)，在低速情況下，也可以有效地拾取S-N級(jí)變換信號(hào)，依然可以精確地測(cè)量到被測(cè)物的轉(zhuǎn)速；2)與電感式轉(zhuǎn)速傳感器不同的是，在磁場(chǎng)信號(hào)移除的情況下，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器可以保持鎖定，即不滿足條件時(shí)就保持原來的高(低)電平，可以有效地避免外界磁場(chǎng)的干擾。

通過使用霍爾電路，可以大大地提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的靈敏度和抗干擾能力。因此，在對(duì)伺服動(dòng)力裝置的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選用了霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器。

2　霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)整體任務(wù)要求：在緊湊的安裝空間中、在高溫環(huán)境下，傳感器要有高可靠、高靈敏以及抗干擾能力的性能，為其設(shè)計(jì)了一種霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器由殼體、引出線、霍爾電路、絕緣墊、轉(zhuǎn)速變換電路及螺母墊片等構(gòu)成，如圖1所示。其中，轉(zhuǎn)速變換電路由F/V變換器及電阻、電容組成，如圖2所示。被測(cè)物轉(zhuǎn)速經(jīng)霍爾電路輸出成脈沖信號(hào)，再由轉(zhuǎn)速變換電路變換為對(duì)應(yīng)的電壓值。

圖1　霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的組成

圖2　轉(zhuǎn)速傳感器的變換電路

2.1小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足任務(wù)“緊湊的安裝空間”，在滿足性能要求的前提下，將傳感器設(shè)計(jì)為小型化結(jié)構(gòu)?；魻栃娃D(zhuǎn)速傳感器的主體結(jié)構(gòu)為殼體，這里采用了強(qiáng)度較大的1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，可以保護(hù)產(chǎn)品不被擠壓；另外為便于調(diào)整工作間隙，殼體圓柱表面設(shè)計(jì)了M15的螺紋，這樣既可以緊固在伺服動(dòng)力裝置中，又可以精確的實(shí)現(xiàn)工作間隙的調(diào)整；

2.2耐高溫環(huán)境設(shè)計(jì)

為適應(yīng)任務(wù)“高溫環(huán)境”，在滿足性能要求的前提下，均選用了耐高溫的元器件及材料：霍爾電路的工作溫度為-55～150 ℃、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換電路工作環(huán)境-55～125 ℃以及硅橡膠GD414工作環(huán)境為-60～200 ℃，均滿足了整機(jī)-40～125 ℃的使用要求、長(zhǎng)期工作及貯存要求，使得傳感器具有穩(wěn)定的耐高溫性能。

2.3高可靠的性能設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品的高可靠性能，采取了以下措施：

1)為保證霍爾電路與殼體絕緣，在霍爾電路與殼體之間粘有一厚0.3 mm的絕緣墊，通過鐵錨進(jìn)行固定，并在調(diào)試合格后用硅橡膠GD414將其灌封于殼體內(nèi)，使得引出線得以固定。

2)在電子元器件的選用上均采用了Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)：分別見表1和表2，保證了傳感器的高可靠性。

表1　霍爾電路降額設(shè)計(jì)

表2　霍爾電路降額設(shè)計(jì)

2.4高靈敏的電路設(shè)計(jì)

除了霍爾電路對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)具有高靈敏的特點(diǎn)外，該傳感器還對(duì)轉(zhuǎn)速變換電路上進(jìn)行了設(shè)置：通過在該電路中設(shè)置較高的閾值電壓(≤3 V)，可以有效地屏蔽外界磁場(chǎng)環(huán)境的干擾。另外，該電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行了濾波和整形,提高了采集的準(zhǔn)確度和抗干擾能力。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

在用霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，通常在被測(cè)物的圓周面上均勻粘貼n對(duì)磁鋼，并使傳感器中心軸與磁鋼的中心軸一致。在被測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鋼也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾電路輸出脈沖信號(hào)，頻率滿足下列公式：

f=F*3/60=F/20

(2)

其中:f為脈沖頻率；F為電機(jī)轉(zhuǎn)速；3為磁極對(duì)數(shù)。

最高轉(zhuǎn)速20 000 rpm對(duì)應(yīng)最大輸出電壓5 V,U/F=U/(20*f)=5/20 000經(jīng)計(jì)算，得出：

U=f/200

(3)

其中：U為輸出電壓。

為驗(yàn)證霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器是否滿足上述公式做了以下試驗(yàn)：首先在電機(jī)四周均勻的粘貼了三對(duì)磁鋼，磁極兩兩相對(duì)，再將轉(zhuǎn)速傳感器的中心軸與磁鋼的中心線重合，傳感器端面與磁鋼的距離保持在2 mm左右。其中示波器和頻率計(jì)接霍爾電路輸出端，用于顯示脈沖波形、測(cè)量脈沖頻率；電壓表接轉(zhuǎn)速傳感器輸出，用于輸出電壓值。如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)速傳感器試驗(yàn)試驗(yàn)示意圖

安裝完畢后，再檢查一遍接線無誤后，啟動(dòng)電源，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，記錄電機(jī)在某恒定轉(zhuǎn)速時(shí)的波形，如圖4所示；以及在不同轉(zhuǎn)速下(0～20 000 rpm)，脈沖信號(hào)的頻率值和轉(zhuǎn)速傳感器電路的電壓輸出值，如表3所示。

圖4　霍爾電路輸出脈沖波形圖

序號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速F/rpm脈沖頻率f/Hz輸出電壓值U/V備注1000轉(zhuǎn)速為0,電壓輸出為02100.50.002532010.0054301.50.007554020.016502.50.0125在較低轉(zhuǎn)速下,仍能精確的輸出電壓值,并滿足式(2)、(3)76030.0158703.50.017598040.0210904.50.02251110050.025121000500.251350002501.2514100005002.515150007503.75162000010005滿足式(2)、(3),測(cè)量精確,未受到外界磁場(chǎng)干擾

從圖4可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，霍爾電路輸出恒定頻率的脈沖信號(hào)；從表3可知，在滿量程的電機(jī)轉(zhuǎn)速下，霍爾電路輸出相應(yīng)頻率的脈沖，轉(zhuǎn)速傳感器輸出相應(yīng)的電壓值，它們之間均是一一對(duì)應(yīng)，分別滿足式(2)、(3)，說明該傳感器可以有效地測(cè)量低轉(zhuǎn)速，滿足伺服動(dòng)力裝置全量程的轉(zhuǎn)速測(cè)量要求，結(jié)果精確，抗干擾能力強(qiáng)。

4　霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)勢(shì)

在對(duì)伺服動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速的測(cè)量中，與傳統(tǒng)電感式轉(zhuǎn)速傳感器相比，霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)單，通過螺紋連接可以方便地調(diào)節(jié)工作間隙。

2)增強(qiáng)了靈敏度。即使在低轉(zhuǎn)速情況下，也可以有效地輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)了滿量程測(cè)量，更能適應(yīng)整機(jī)測(cè)試要求。

3)提高了抗干擾能力。通過霍爾開關(guān)鎖定型電路設(shè)計(jì)，結(jié)合變換電路設(shè)置較高的閾值，可以有效地屏蔽掉外界磁場(chǎng)環(huán)境的干擾。

4)增大了工作間隙。電感式轉(zhuǎn)速傳感器工作間隙一般較小(1.5±0.5 mm)，如果電機(jī)動(dòng)平衡不好就會(huì)引起被測(cè)產(chǎn)品與傳感器的干涉，增加了產(chǎn)品失效的可能性。經(jīng)過驗(yàn)證，在保證不影響測(cè)量精度的前提下，霍爾型轉(zhuǎn)速傳感器的工作間隙可增大到3±1.5 mm。

5)簡(jiǎn)化了傳感器設(shè)計(jì)工藝。傳統(tǒng)電感式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)中，繞線技術(shù)一直是制約傳感器性能的要素之一，而該傳感器中使用了霍爾電路組件，并通過GD414固定在殼體內(nèi)部，大大提高了傳感器的抗震性及溫度特性，且在裝配完成后不需調(diào)試，有效地縮短了傳感器生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化了加工工藝，不需要考慮繞線等復(fù)雜因素。

5　結(jié)論

綜上所述，這種霍爾型轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型化結(jié)構(gòu)、抗干擾、低轉(zhuǎn)速測(cè)量，精度高，性能穩(wěn)定，滿足狹小的安裝空間及滿足運(yùn)載型號(hào)高可靠性的要求，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的推廣前景，其特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，耐高溫性能好，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，可靠性高，可用于軍民品各項(xiàng)工程項(xiàng)目中。

[1] 汪云. 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置[J].傳感器技術(shù),2003,22( 10) : 45-47.

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[4] 邰艷芳.摩托車用霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)速傳感器的研究與開發(fā)[D].天津:天津大學(xué),2008.

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Research of Hall Rotational Speed Sensor in Servo Power Plant

Li Wenzhang,Ren Haiyan,Ma Yajun,Wang Wei,Yu Fei

(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment,Beijing100076,China)

In order to measure the revolving rotational speed of the variable displacement piston pump of servo power plant precisely,a miniaturized Hall-type rotational speed sensor which has the characters of hypersensitive,anti-interference,high reliable and wide temperature range is designed. In allusion to the disadvantage of the inductance type transducer,such as the low sensitivity and the bad capacity of resisting disturbance,a design approach of the Hall-type rotational speed sensor is presented. The specialty of hall circuit,which is hypersensitive to the magnetic field signal is utilized. Besides,a high threshold voltage transformational circuit is used to enhance the characters of hypersensitive and anti-interference of the hall circuit. According to the task demands,a miniaturized design is proceed,a kind of material which has wide temperature range is selected and a derating design is used. On the basis of experimental verification,the Hall-type rotational speed sensor can measure the rotational speed of the full range of the electrical machine (from slow to quick) accurately. The sensitivity of the rotational speed senor doesn’t change with the rotational speed of electrical machine and unaffected by the external magnetic field. The parameter performance meets the requirements of the model. This kind of Hall-type rotational speed sensor has a broad application prospects.

Hall；rotational speed sensor；anti-interference；miniaturization

1671-4598(2016)04-0284-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.082

TB114.3

A

2015-10-07；

2015-11-20。

李文璋(1974-)，男，山西陽泉人，碩士研究生，主要從事電子測(cè)量方向的研究。