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霍尔传感器的一种特殊应用

作者:时间:2008-11-14来源:国外电子元器件
1 引言
   
等离子自动高低是切割机中必不可少的配套设备,广泛应用于大型装备制造、造船和切割等领域,其主要功能是保证切割割炬与被切割工件保持最佳切割距离,消除由被切割工件的不平度变化引起的加工精度误差。切割机在工作过程中不能准确获取切割割炬与钢板的距离,这就必然影响钢板的切割质量。切割的弧电流强光会给操作人员造成视觉疲劳。因此,给出了一种基于传感器的设计方案,保证切割过程中割缝宽度均匀,切割精度提高。
2 系统设计
   
该设计方案利用效应原理产生随磁场变化而产生变化的电压,把变化的电压送到自动高低,控制割炬的上升与下降,形成一个闭环的自动高低调节系统,如图1所示。该闭环自动控制系统由传感器、自检器、高频滤波器、运算放大器、比较器、断弧提升器、模拟开关手动自动转换器、光电耦合器、三态门互锁器、电机驱动器以及机械丝杆传递系统组成。图2所示是系统控制电路图,从而能在切割过程中实时控制割炬与钢板的距离,有效保证钢板的切割质量。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/89514.htm


2.1 霍尔传感器
   
将一块导体板置于磁场,使磁场的磁感应强度B的方向与板垂直,当导体板中流经一定电流时,垂直于磁场和电流方向的导体板的横向两侧会产生一定的电势差,这一现象称为霍尔效应。霍尔传感器是根据该原理制成的。图3是一个霍尔传感器,它共有4个接线端,分别为接地、+5 V,-5 V和电压输出,水电缆通过中间空心圆。

    等离子发生器起弧后,霍尔传感器采集割炬与钢板之间的电流,水电缆中的电流穿过霍尔传感器,在其周围产生恒定磁场。向霍尔传感器预先施加一恒压,产生一恒定电流,霍尔传感器则输出霍尔电压。如果切割电流有微小变化,则产生变化的磁场,而输出的霍尔电压也是变化的,这样就把切割中的变化电流转化为变化电压,输出的霍尔电压包含有干扰信号,其高频信号的范围较宽,这就需对信号电压进行高频滤波,从而获取有用信号,再将其信号送至等离子自动高低。以运算放大器C1的引脚1的输出电压作为自检电压,并通过调节VR1改变其输出电压,也可以模拟霍尔传感器输出电压。
2.2 高频滤波电路
   
高频滤波电路由C1,L1,R1组成。由于高频信号经LM324运算放大器后,还有部分杂散的高频信号没有滤除,电容C1用于滤除高频信号,而电感L1阻碍高频信号,只允许被检波的低频解调信号通过,这样在负载R1上就建立了微弱的电压信号。
2.3 差分运算放大器
   
运算差分放大器采用LM324。R1上的电压输入B1的引脚3,引脚3缓冲输出,用于隔离信号源,提高负载驱动能力。D2和D3二极管具有箝位作用,正向导通,信号电压被耦合至R2,R2上的电压随R1变化,具有电压跟随器的作用,R2的电压输入至后续B2的12引脚,14引脚和8引脚分别输出电压V14和V8。采用双端输入、单端输出放大信号,将B3的8引脚和B2的14引脚的输出信号输入至差分放大器B4的5引脚和6引脚,由B4的7引脚输出放大后的信号。
2.4 比较器
   
控制系统中的比较器将差分运算放大器B4输出的电压施加至LM339比较器的E3和E4的5引脚和6引脚,而4引脚和7引脚被二极管D5箝位于0.3 V。当差分运算放大器输出的电压落在5引脚和6引脚中,即输出电压比E3的4引脚电压低,而高于E4的7引脚,比较放大器的E3的2引脚和E4的1引脚无电压输出。这时割炬与钢板的距离保持静止,发光二极管D19和D20不亮。当电压高于E3的4引脚电压,比较器E3的2引脚输出高电平,D19点亮;当电压低于E4的7引脚,比较器1引脚输出高电平,D20点亮,从而指示割炬的升高或降低。调节VR3电位器中点电压,改变E4的4引脚和7引脚电压,使其始终箝位于0.3 V,实际上就是改变割炬离钢板的实际距离。由图2看出,当割炬离钢板时,霍尔传感器和B4都输出低电压,甚至低于E2的8引脚电压。使E2的14引脚输出低电平,从而控制M1模拟开关的12引脚和6引脚,M1变为开路状态。比较器信号无法通过,割炬保持静止。
2.5 断弧提升器
   
起弧后,霍尔传感器产生的电压通过D1送至E1的11引脚,由于E1的10引脚的发光二极管被箝位于2 V,所以当霍尔传感器起弧后输出电压低于2 V时就为断弧,处于断弧状态时E1的11引脚电压比10引脚电压低,13引脚输出低电平,该下降的低电平通过微分电路C2和R17产生下降的负向微分信号来触发NE555单稳态2引脚。NE555在电源打开瞬间产生一个控制模拟开关的输出电压,选通模拟开关,这样M1的脉冲能够顺利通过引脚,使割矩产生提升动作,从而为自动作好准备。即使在数控机切割爬坡过程中,突然断弧。割炬也会顺速提升,割炬避免与钢板碰撞,从而保护割炬。
2.6 模拟开关手动自动转换器
   
模拟开关是由两片CD4066集成电路组成,用于控制手动和自动调节割矩高低。自动状态下,K3处于自动档位,控制M2的6引脚和12引脚来选通M2,使上升信号和下降信号顺利通过M2模拟开关,发光二极管D21可指示自动和手动状态,D21点亮时表示自动状态,反之为手动状态。也可通过手动调节SBl和SB2,以实现割矩高低调节。
2.7 起弧电路
   
自动定位时,K3处于自动状态,按下SB3按钮,触发单稳态556器件C1的6引脚,其5引脚输出的高电平通过D28加到M1的5引脚,选通模拟开关M1的3引脚和4引脚,这时F1器件的9引脚输出振荡方波加到M1的3引脚。由于K3处于自动状态,M2的6引脚和12引脚处于高电平,振荡方波通过M2传输给光电耦合驱动电机电路,从而驱动直流电机正转。通过丝杠带动割炬向下运动,割炬碰到钢板,钢板顶起割炬,直到割炬触头碰到微动开关L1。L1微动开关闭合,触发单稳态延时电路G2的8引脚,9引脚输出阶跃上升信号,可迅速输入到G1的2引脚复位端,使5引脚停止输出高电平,以终止割炬继续下降。该信号同时通过D29加到模拟开关M1的13引脚,以选通M1的1引脚和2引脚,这时G2的9引脚输m的振荡方波加到M1的1引脚,由于K3处于自动状态,M2的11引脚和10引脚处于选通状态,振荡方波通过M2的11引脚和10引脚,传输到光电耦合驱动电机电路,从而驱动直流电机反转,G2的9引脚延时单稳时间或割炬上升定位时间,或直流电动机反转提升割炬时间。定位后,G2触发单稳态电路H器件555的2引脚,H通过R31和C13时间常数的积分延时,3引脚输出一个脉冲方波,通过D29和光耦,使继电器上电,常开触点闭合,启动起弧开关,传送至等离子发生器,使得强大的电流击穿钢板,起弧成功。霍尔传感器采样起弧信号,输出电压,传送至B1的3引脚,使B1的1引脚输出变化的电压,从而实现调节。
2.8 可变占空比产生器
   
手动和自动振荡器组成可变占空比发生器,其原理是由F1与R40、R41、VR5、D32、D33、C16组成无稳态多谐振荡器。D32、D33分别是充电和放电回路的导通管。
    调节VR5不会影响振荡周期T,但可改变占空系数,即改变脉冲宽度,也就是改变电机的旋转速度和割炬的上升速度和下降速度。
2.9 光电耦合与电机驱动电路
   
比较电路的高低调节信号通过光耦VLC1和VLC3传送至功率驱动电路,使得电机驱动电路与模拟开关电路光电隔离,这样可减少模拟开关电路的干扰。光电耦合与电机驱动电路如图4。


    当上升信号通过VLC1时。D36的发光二极管导通发亮,并在R45上建立电压。该电压加在三态门S1的2引脚和三态门S4的12引脚端,与此同时,由于VLC3无信号,D37截止,在R47上无电压,该低电平信号通过S2,输出给S1控制端,S1 三态门选通。S1导通的同时,选通的S4输出信号加到S3三态门控制端,封锁S3 三态门导通。
    当下降信号通过VLC3时,D37导通,并在R47上建立电压,该电压加到S3的9引脚和S2的5引脚。与此同时,由于VLC1无信号,D36截止,R45上无电压,该低电平信号通过S4,输出给S3的控制端,S3三态门选通;在S2导通的同时,选通的S2输出信号加到S1的三态门控制端,封锁S1。
    当S1、S2、S4选通时,V1、V5、V6、V4、V10导通;V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10导通,整流的直流110 V电压直接加在电机两端,电机正转,电容探头提升;当S2、S3、S4选通时,V2、V7、V3、V8、V9导通;V1、V5、V6、V4、V10截止,由于V9和V7导通,整流的直流110 V电压直接加在电机两端,电机反转,电容探头下降。
    该电路受外界电磁干扰或者误操作,同时按动“上升”和“下降”按钮,可能导致VLC1和VLC2同时选通,但由于74LS125三态门具有保护作用,只允许上升或下降信号通过,电路具有互锁性,可避免烧坏后续驱动管。当电机电流超过V6、V7、或V9、V10驱动管额定电流时,驱动管可能被烧坏。因此,采用74LS125三态门互锁,并在V7和V10发射极增加采样电阻。当采样电压超过光耦导通电压,光耦输出将调高的信号电压短路,使信号电压不能通过VLC1或VLC2,这样就保护了驱动管。


3 割炬定位结构系统图
   
割炬定位机械结构是由霍尔传感器、水电缆、微动开关、触头、上夹紧盘、割炬夹、压缩弹簧、下夹紧盘、信号线、丝杆、直流电机组成。上夹紧盘、下夹紧盘和压缩弹簧夹紧割炬,割炬穿过割炬夹圆孔。割炬夹圆孔直径比割炬直径稍大一些,这样可在夹圆孔中上下活动。由于弹簧和重力的作用,割炬平稳垂直地放在割炬夹圆盘上,水电缆穿过霍尔传感器,霍尔传感器采集切割变化的电流,如图5所示。割炬定位时向下运动,割炬碰到钢板后,钢板顶起割炬,这时割炬与割炬夹产生相对运动,弹簧被压缩,直到割炬触头碰到微动开关L1。L1闭合产生的触发信号通过信号线传给自动高低调节器,通过触发单稳延时电路,产生割炬上升定位时间,也是直流电动机反转提升割炬时间。由于割炬的提升,压缩弹簧逐渐恢复,如果事先通过自动高低调节器设定割炬提升时间常数,从而确定割炬提升后割炬与钢板的距离,获到割炬与钢板的最佳起弧距离。

4 与使用
   
系统使用前应进行电路自检。首先打开电源开关,这时电机提升,D36点亮,说明D单稳态3引脚输出高电平;按下SB1和SB2,割炬上升或下降,说明F1和F2振荡器和功率驱动正常:自动/手动开关K3置于自动状态位,按下SB3按钮,D36先点亮,瞬间熄灭后,D37点亮,接着熄灭,说明G1和G2定位系统正常;K1和K2分别打在1和2位置,调节VR1电位器,如果三位半板表有电压变化指示,说明运算放大器C1和B正常;板表测到一个电压值,再左右调节VR3电位器,如果D19和D20交替点亮,说明比较器E正常的。
    K1打在1位置,K2打在2位置,K3在手动位置,启动起弧测量。如果板表测量值在3 V和8 V之间,将K2设在3位置,并调节VR3,使电压介于3 V和8 V之间,然后把K3打在自动位置,就可以测量。
    根据实际情况霍尔传感器可选型为:40 A/4V,60 A/4V,80 A/4 V,100A/4 V,120A/4 V,160 A/4 V,200 A/4V,300 A/4 V。霍尔传感器与高低调节器之间连接,应使用屏蔽电缆,屏蔽线接地,以免等离子起弧时,空间的强大电磁干扰把霍尔传感器里面的电路击穿而损坏。


5 结束语
   
霍尔传感器应用到数控切割中是等离子切割机一种新的调节方法。这种方法不但切割后工件质量好,精度达到要求,同时还减轻了操作者的劳动强度。该系统设计不但可用于常规的套料切割,还可以用于水下套料切割,省时、省力、自动化程度高,安全可靠,通过多年的实际应用,使用效果良好。

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