霍爾傳感器的特殊應(yīng)用

1 引言

等離子自動(dòng)高低調(diào)節(jié)器是切割機(jī)中必不可少的配套設(shè)備，廣泛應(yīng)用于大型裝備制造、造船和切割等領(lǐng)域，其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持較佳切割距離，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(jī)在工作過程中不能準(zhǔn)確獲取切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質(zhì)量。切割的弧電流強(qiáng)光會(huì)給操作人員造成視覺疲勞。因此，給出了一種基于霍爾傳感器的設(shè)計(jì)方案，保證切割過程中割縫寬度均勻，切割精度提高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案利用霍爾效應(yīng)原理產(chǎn)生隨磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生變化的電壓，把變化的電壓送到自動(dòng)高低調(diào)節(jié)器，控制割炬的上升與下降，形成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)高低調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示。該閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運(yùn)算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關(guān)手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、光電耦合器、三態(tài)門互鎖器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及機(jī)械絲桿傳遞定位系統(tǒng)組成。圖2所示是系統(tǒng)控制電路圖，從而能在切割過程中實(shí)時(shí)控制割炬與鋼板的距離，有效保證鋼板的切割質(zhì)量。

2．1 霍爾傳感器

將一塊導(dǎo)體板置于磁場(chǎng)，使磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與板垂直，當(dāng)導(dǎo)體板中流經(jīng)一定電流時(shí)，垂直于磁場(chǎng)和電流方向的導(dǎo)體板的橫向兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)�；魻杺鞲衅魇歉鶕�(jù)該原理制成的。圖3是一個(gè)霍爾傳感器，它共有4個(gè)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(fā)生器起弧后，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，在其周圍產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。向霍爾傳感器預(yù)先施加一恒壓，產(chǎn)生一恒定電流，霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化，則產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，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(zhuǎn)化為變化電壓，輸出的霍爾電壓包含有干擾信號(hào)，其高頻信號(hào)的范圍較寬，這就需對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行高頻濾波，從而獲取有用信號(hào)，再將其信號(hào)送至等離子自動(dòng)高低調(diào)節(jié)器。以運(yùn)算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓，并通過調(diào)節(jié)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。由于高頻信號(hào)經(jīng)LM324運(yùn)算放大器后，還有部分雜散的高頻信號(hào)沒有濾除，電容C1用于濾除高頻信號(hào)，而電感L1阻礙高頻信號(hào)，只允許被檢波的低頻解調(diào)信號(hào)通過，這樣在負(fù)載R1上就建立了微弱的電壓信號(hào)。

2．3 差分運(yùn)算放大器

運(yùn)算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3，引腳3緩沖輸出，用于隔離信號(hào)源，提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。D2和D3二極管具有箝位作用，正向?qū)�通，信�?hào)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的電壓輸入至后續(xù)B2的12引腳，14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸入、單端輸出放大信號(hào)，將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號(hào)輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳，由B4的7引腳輸出放大后的信號(hào)。

2．4 比較器

控制系統(tǒng)中的比較器將差分運(yùn)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箝位于0．3 V。當(dāng)差分運(yùn)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，而高于E4的7引腳，比較放大器的E3的2引腳和E4的1引腳無(wú)電壓輸出。這時(shí)割炬與鋼板的距離保持靜止，發(fā)光二極管D19和D20不亮。當(dāng)電壓高于E3的4引腳電壓，比較器E3的2引腳輸出高電平，D19點(diǎn)亮；當(dāng)電壓低于E4的7引腳，比較器1引腳輸出高電平，D20點(diǎn)亮，從而指示割炬的升高或降低。調(diào)節(jié)VR3電位器中點(diǎn)電壓，改變E4的4引腳和7引腳電壓，使其始終箝位于0．3 V，實(shí)際上就是改變割炬離鋼板的實(shí)際距離。由圖2看出，當(dāng)割炬離鋼板時(shí)，霍爾傳感器和B4都輸出低電壓，甚至低于E2的8引腳電壓。使E2的14引腳輸出低電平，從而控制M1模擬開關(guān)的12引腳和6引腳，M1變?yōu)殚_路狀態(tài)。比較器信號(hào)無(wú)法通過，割炬保持靜止。

2．5 斷弧提升器

起弧后，霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓通過D1送至E1的11引腳，由于E1的10引腳的發(fā)光二極管被箝位于2 V，所以當(dāng)霍爾傳感器起弧后輸出電壓低于2 V時(shí)就為斷弧，處于斷弧狀態(tài)時(shí)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(chǎn)生下降的負(fù)向微分信號(hào)來觸發(fā)NE555單穩(wěn)態(tài)2引腳。NE555在電源打開瞬間產(chǎn)生一個(gè)控制模擬開關(guān)的輸出電壓，選通模擬開關(guān)，這樣M1的脈沖能夠順利通過引腳，使割矩產(chǎn)生提升動(dòng)作，從而為自動(dòng)定位作好準(zhǔn)備。即使在數(shù)控機(jī)切割爬坡過程中，突然斷弧。割炬也會(huì)順?biāo)偬嵘�，割炬避免與鋼板碰撞，從而保護(hù)割炬。

2．6 模擬開關(guān)手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換器

模擬開關(guān)是由兩片CD4066集成電路組成，用于控制手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)割矩高低。自動(dòng)狀態(tài)下，K3處于自動(dòng)檔位，控制M2的6引腳和12引腳來選通M2，使上升信號(hào)和下降信號(hào)順利通過M2模擬開關(guān)，發(fā)光二極管D21可指示自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)，D21點(diǎn)亮?xí)r表示自動(dòng)狀態(tài)，反之為手動(dòng)狀態(tài)。也可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)SBl和SB2，以實(shí)現(xiàn)割矩高低調(diào)節(jié)。

2．7 定位起弧電路

自動(dòng)定位時(shí)，K3處于自動(dòng)狀態(tài)，按下SB3按鈕，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)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(guān)M1的3引腳和4引腳，這時(shí)F1器件的9引腳輸出振蕩方波加到M1的3引腳。由于K3處于自動(dòng)狀態(tài)，M2的6引腳和12引腳處于高電平，振蕩方波通過M2傳輸給光電耦合驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。通過絲杠帶動(dòng)割炬向下運(yùn)動(dòng)，割炬碰到鋼板，鋼板頂起割炬，直到割炬觸頭碰到微動(dòng)開關(guān)L1。L1微動(dòng)開關(guān)閉合，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路G2的8引腳，9引腳輸出階躍上升信號(hào)，可迅速輸入到G1的2引腳復(fù)位端，使5引腳停止輸出高電平，以終止割炬繼續(xù)下降。該信號(hào)同時(shí)通過D29加到模擬開關(guān)M1的13引腳，以選通M1的1引腳和2引腳，這時(shí)G2的9引腳輸m的振蕩方波加到M1的1引腳，由于K3處于自動(dòng)狀態(tài)，M2的11引腳和10引腳處于選通狀態(tài)，振蕩方波通過M2的11引腳和10引腳，傳輸?shù)焦怆婑詈向?qū)動(dòng)電機(jī)電路，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，G2的9引腳延時(shí)單穩(wěn)時(shí)間或割炬上升定位時(shí)間，或直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)提升割炬時(shí)間。定位后，G2觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路H器件555的2引腳，H通過R31和C13時(shí)間常數(shù)的積分延時(shí)，3引腳輸出一個(gè)脈沖方波，通過D29和光耦，使繼電器上電，常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)起弧開關(guān)，傳送至等離子發(fā)生器，使得強(qiáng)大的電流擊穿鋼板，起弧成功。霍爾傳感器采樣起弧信號(hào)，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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

2．8 可變占空比產(chǎn)生器

手動(dòng)和自動(dòng)振蕩器組成可變占空比發(fā)生器，其原理是由F1與R40、R41、VR5、D32、D33、C16組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。D32、D33分別是充電和放電回路的導(dǎo)通管。

調(diào)節(jié)VR5不會(huì)影響振蕩周期T，但可改變占空系數(shù)，即改變脈沖寬度，也就是改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和割炬的上升速度和下降速度。

2．9 光電耦合與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

比較電路的高低調(diào)節(jié)信號(hào)通過光耦VLC1和VLC3傳送至功率驅(qū)動(dòng)電路，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與模擬開關(guān)電路光電隔離，這樣可減少模擬開關(guān)電路的干擾。光電耦合與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4。