1霍尔传感器的一种特殊应用.docx
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1霍尔传感器的一种特殊应用
霍尔传感器的一种特殊应用
文章发表于:
2008-12-1123:
04
引言
等离子自动高低调节器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,给出了一种基于霍尔传感器的设计方案,保证切割过程中割缝宽度均匀,切割精度提高。
2系统设计
该设计方案利用霍尔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调节器,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霍尔传感器、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定位系统组成。
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。
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、+5V,-5V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调节器。
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0.3V。
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0.3V,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2V,所以当霍尔传感器起弧后输出电压低于2V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,从而为自动定位作好准备。
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定位起弧电路
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110V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110V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调试与使用
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3V和8V之间,将K2设在3位置,并调节VR3,使电压介于3V和8V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:
40A/4V,60A/4V,80A/4V,100A/4V,120A/4V,160A/4V,200A/4V,300A/4V。
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。
LM339资料-LM339/LM393应用电路
时间:
2009-03-2218:
46:
19来源:
作者:
lm339中文资料
什么是lm339?
LM339/LM393是四电压比较器集成电路。
该电路的特点如下:
工作电源电压范围宽,单电源、双电源均可工作,单电源:
2~36V,双电源:
±1~±18V;
消耗电流小,Icc=1.3mA;
输入失调电压小,VIO=±2mV;
共模输入电压范围宽,Vic=0~Vcc-1.5V;
输出与TTL,DTL,MOS,CMOS等兼容;
输出可以用开路集电极连接“或”门;
采用双列直插14脚塑料封装(DIP14)和微形的双列14脚塑料封装(SOP14)
内部结构图
1/4的内部电路图
LM339引脚功能排列表:
引脚功能
符号
引
引脚功能
符号
1
输出端2
OUT2
8
反向输入端3
1N-(3)
2
输出端1
OUT1
9
正向输入端3
1N+(3)
3
电源
VCC+
10
反向输入端4
1N-(4)
4
反向输入端1
1N-
(1)
11
正向输入端4
1N+(4)
5
正向输入端1
1N+
(1)
12
电源
Vcc-
6
反向输入端2
1N-
(2)
13
输出端4
OUT4
7
正向输入端2
OUT2
(2)
14
输出端3
OUT3
LM339主要参数表:
参数名称
符号
数值
单位
电源电压
VCC
±18或36
V
差模输入电压
VID
±36
V
共模输入电压
VI
-0.3~VCC
V
功耗
Pd
570
mW
工作环境温度
Topr
0to+70
℃
贮存温度
Tstg
-65to150
℃
电特性(除非特别说明,VCC=5.0V,Tamb=25℃)
数名称
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入失调电压
VIO
VCM=0toVCC-1.5VO(P)=1.4V,Rs=0
-
±1.0
±5.0
mV
输入失调电流
IIO
-
-
±5
±50
nA
输入偏置电流
Ib
-
-
65
250
nA
共模输入电压
VIC
-
0
-
VCC-1.5
V
静态电流
ICC
VCC=+5V,noload
-
1.1
2.0
mA
VCC=+30V,noload
-
1.3
2.5
mA
电压增益
AV
VCC=15V,RL>15kΩ
-
200
-
V/mV
灌电流
lsink
Vi(-)>1V,Vi(+)=0V,Vo(p)<1.5V
6
16
-
mA
输出漏电流
IOLE
Vi(-)=0V,Vi(+)=1V,VO=5V
-
0.1
-
nA
使用说明:
LM393/339是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要.
比较器的所有没有用的引脚必须接地.
LM393/339偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关.
通常电源不需要加旁路电容。
差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V.
LM393/339的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或ORing
功能.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。
当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。
LM339/LM393典型应用电路图:
基本的比较器电路操纵CMOS电路
操纵TTL电路低频运算放大器电路
低频运算放大器电路传感器放大器电路
低频率运算放大器偏置电路零交检测器(单电源)
上下限电压比较检测电路晶体振荡器电路
零交叉检测器
lm339应用电路图:
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是:
失调电压小,典型值为2mV;电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;对比较信号源的内阻限制较宽;共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装,图1为外型及管脚排列图。
由于LM339使用灵活,应用广泛,所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器,如IR2339、ANI339、SF339等,它们的参数基本一致,可互换使用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端,用“-”表示。
用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点),另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管,在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选3-15K)。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。
单限比较器电路
图3为某仪器中过热检测保护电路。
它用单电源供电,1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压,它的值取决于R1于R2。
UR=R2/(R1+R2)*UCC。
同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降。
当机内温度为设定值以下时,“+”端电压大于“-”端电压,Uo为高电位。
当温度上升为设定值以上时,“-”端电压大于“+”端,比较器反转,Uo输出为零电位,使保护电路动作,调节R1的值可以改变门限电压,既设定温度值的大小。
迟滞比较器
图2a给出了一个基本单限比较器。
输入信号Uin,即待比较电压,它加到同相输入端,在反相输入端接一个参考电压(门限电平)Ur。
当输入电压Uin>Ur时,输出为高电平UOH。
图2b为其传输特性。
迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。
前面介绍的单限比较器,如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰,则输出电压就会产生相应的抖动(起伏)。
在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。
图4a给出了一个迟滞比较器,人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。
图4b为迟滞比较器的传输特性。
不难看出,当输出状态一旦转换后,只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU之值,输出电压的值就将是稳定的。
但随之而来的是分辨率降低。
因为对迟滞比较器来说,它不能分辨差别小于ΔU的两个输入电压值。
迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度,这是它的一个优点。
除此之外,由于迟滞比较器加的正反馈很强,远比电路中的寄生耦合强得多,故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。
如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上,可在正反馈电路中接入一个非线性元件,如晶体二极管,利用二极管的单向导电性,便可实现上述要求。
图5为其原理图。
图6为某电磁炉电路中电网过电压检测电路部分。
电网电压正常时,1/4LM339的U4<2.8V,U5=2.8V,输出开路,过电压保护电路不工作,作为正反馈的射极跟随器BG1是导通的。
当电网电压大于242V时,U4>2.8V,比较器翻转,输出为0V,BG1截止,U5的电压就完全决定于R1与R2的分压值,为2.7V,促使U4更大于U5,这就使翻转后的状态极为稳定,避免了过压点附近由于电网电压很小的波动而引起的不稳定的现象。
由于制造了一定的回差(迟滞),在过电压保护后,电网电压要降到242-5=237V时,U4 这正是我们所期望的。 双限比较器(窗口比较器) 图7电路由两个LM339组成一个窗口比较器。 当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时(UR1 当Uin不在门限电位范围之间时,(Uin>UR2或Uin 它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。 用LM339组成振荡器 图8为有1/4LM339组成的音频方波振荡器的电路。 改变C1可改变输出方波的频率。 本电路中,当C1=0.1uF时。 f=53Hz;当C1=0.01uF时,f=530Hz;当C1=0.001uF时,f=5300Hz。 LM339还可以组成高压数字逻辑门电路,并可直接与TTL、CMOS电路接口。
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- 霍尔 传感器 一种 特殊 应用