劉百超

(信陽(yáng)師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

高速生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器，通常由精確的檢測(cè)系統(tǒng)[1-2]來(lái)控制機(jī)器自動(dòng)校準(zhǔn)。大部分工控是通過(guò)光電檢測(cè)[3]或傳感器檢測(cè)[4-5]，檢測(cè)產(chǎn)品合格參數(shù)，反饋機(jī)器調(diào)整精度，這種檢測(cè)電路成本較高，響應(yīng)速度較慢。在高速行駛的交通方面，大多是用GPS檢測(cè)速度[6]。車輛行駛速度是利用GPS獲取地圖路標(biāo)信息與時(shí)間來(lái)計(jì)算速度[7]；車輛穩(wěn)定檢測(cè)也有GPS與轉(zhuǎn)角檢測(cè)分析[8-9]。這些檢測(cè)和控制方式依賴于通信設(shè)施，還有信號(hào)的強(qiáng)弱。一旦通信設(shè)備不好，或信號(hào)較弱時(shí)，這些檢測(cè)和控制效果較差。另外，這種檢測(cè)和控制方式，要有高精度的檢測(cè)設(shè)備和較好的響應(yīng)速度。

為了精準(zhǔn)測(cè)量和實(shí)時(shí)控制高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性，同時(shí)不受傳輸速度和環(huán)境的影響，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高速轉(zhuǎn)輪的速度與穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)。采用兩種類別的霍爾傳感器對(duì)稱安裝，做到了即能檢測(cè)速度，又能檢測(cè)轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定度；設(shè)計(jì)中，將電路的響應(yīng)速度適配傳感器采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試低速的霍爾傳感器精確測(cè)量高速轉(zhuǎn)輪的速度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。該設(shè)計(jì)是將高速轉(zhuǎn)輪合適的位置放置一塊強(qiáng)磁體，通過(guò)霍爾傳感器非接觸式測(cè)量磁信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了精確測(cè)試高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性，給系統(tǒng)選擇了兩個(gè)類型的傳感器，分別測(cè)試速度和穩(wěn)定性。這兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)PLC控制器，控制與人機(jī)界面接口，人機(jī)控制電路用觸摸屏，直觀界面，便于直接實(shí)施控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 The system structure diagram

在圖1中，一路傳感器是測(cè)試高速轉(zhuǎn)輪的速度，經(jīng)濾波放大處理；另一路由不同的傳感器測(cè)試高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，經(jīng)濾波放大器處理。兩路信號(hào)由一個(gè)PLC控制器件控制轉(zhuǎn)換，送人機(jī)接口；由觸摸屏中心控制器，直接實(shí)施發(fā)出控制要求，通過(guò)PLC控制器控制測(cè)速和測(cè)穩(wěn)定性。兩路測(cè)試電路分別測(cè)試、電路明晰、維修方便。

該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)，一是將常應(yīng)用于低速測(cè)試的霍爾傳感器經(jīng)過(guò)電路處理，應(yīng)用到高速的檢測(cè)，其效果性能良好；二是采用了非接觸式檢測(cè)，沒(méi)有破壞性，檢測(cè)精度高；三是整體電路成本低。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

利用霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，分別用兩類霍爾傳感器測(cè)試速度和穩(wěn)定性，將電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理，得到高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性和速度信息。

2.1 高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性檢測(cè)電路

系統(tǒng)中應(yīng)用一個(gè)零感應(yīng)定值輸出霍爾傳感器(型號(hào)為HW-322B)來(lái)測(cè)試高速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，測(cè)穩(wěn)電路如圖2所示。傳感器HW-322B感應(yīng)輪緣的強(qiáng)磁體信號(hào)，當(dāng)輪緣不穩(wěn)定偏離時(shí)，傳感器感應(yīng)輸出電壓發(fā)生變化，利用電壓變化量計(jì)算，可以得到其不穩(wěn)定性，立即報(bào)警，或輸出到控制電路調(diào)整。該電路感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)放大、電平轉(zhuǎn)換送至PLC控制，在觸摸屏上顯示計(jì)算測(cè)試值。傳感器在安裝時(shí)，經(jīng)過(guò)垂直、水平校準(zhǔn)，保持與車輪平行，排除了系統(tǒng)本身帶來(lái)的誤差。

圖2 穩(wěn)定性采集處理電路Fig. 2 The circuit of Stability acquisition and processing

2.2 高速轉(zhuǎn)輪的速度檢測(cè)電路

選用霍爾傳感器的另一類零感應(yīng)零輸出霍爾傳感器(YS49E-A/B)，速度檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 速度采集電路Fig. 3 The circuit of speed acquisition and processing

傳感器是零輸出霍爾傳感器，其輸出電壓經(jīng)放大輸出，相當(dāng)于數(shù)字信號(hào)，車輪旋轉(zhuǎn)1周計(jì)1個(gè)脈沖信號(hào)，利用脈沖信號(hào)的間距來(lái)計(jì)時(shí)高速轉(zhuǎn)輪的速度。此傳感器輸出的弱信號(hào)，送至UIA(TLV2252)雙路低壓運(yùn)算放大器，將電信號(hào)放大整形，接PLC控制器，連接觸摸屏顯示器，顯示測(cè)試信號(hào)，實(shí)施直接控制，或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并顯示測(cè)試值。

2.3 整體電路

采用非接觸式傳感器檢測(cè)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大弱電信號(hào)，用電平轉(zhuǎn)換電路，保證了信號(hào)抗干擾。整體電路分兩路檢測(cè)，一路檢測(cè)高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，一路檢測(cè)高速轉(zhuǎn)輪的速度，用常用的霍爾傳感器完成了兩路的精確檢測(cè)。將此信號(hào)送至PLC控制器，PLC控制器選用TM200C16T，應(yīng)用Modicon TM3模擬量I/O 擴(kuò)展模塊，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的控制，與觸摸屏顯示器相連，顯示測(cè)試信號(hào)，經(jīng)過(guò)編程，在屏幕顯示高速轉(zhuǎn)輪的速度和偏移量。大于一定偏移量，直接報(bào)警。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 高速轉(zhuǎn)輪測(cè)試系統(tǒng)模擬裝置Fig. 4 The simulating system of high-speed wheel and stability’s measurement

在圖4中，用電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)高速轉(zhuǎn)輪，高速轉(zhuǎn)輪輪緣裝有磁鐵。在旁邊電路板上裝上兩個(gè)不同的霍爾傳感器；一個(gè)測(cè)試高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，一個(gè)測(cè)試高速轉(zhuǎn)輪的速度。這里將信號(hào)處理電路直接做在電路板上。信號(hào)處理電路與控制器PLC、觸摸屏顯示器相連。

3.1 高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性測(cè)量

高速轉(zhuǎn)輪的最大偏轉(zhuǎn)角計(jì)算?；￠L(zhǎng)l=0.60 cm，半徑r=30 cm；根據(jù)l=θr，可算出θ=1.14°(θ為車輪抖動(dòng)時(shí)偏離原本數(shù)值平面的偏轉(zhuǎn)角)，即當(dāng)半徑r=0.3 m的車輪發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，若θ偏轉(zhuǎn)角超過(guò)1.14°時(shí)，將視為強(qiáng)抖動(dòng)，將會(huì)引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。這里的報(bào)警信號(hào)可以在程序中設(shè)計(jì)，符合穩(wěn)定性規(guī)定，即此抖動(dòng)在安全狀態(tài)下。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，其穩(wěn)定性與輸出電壓的關(guān)系如圖5所示。圖5表示磁性傳感器測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸出電壓的關(guān)系，經(jīng)過(guò)擬合，輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度為U=6B。

圖5 HW-322B霍爾元件輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖Fig. 5 The diagram of output voltage of HW-322B

車輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，車輪偏離磁性傳感器的距離，傳感器所測(cè)得的電壓值。強(qiáng)磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B與X的關(guān)系為[10]：

(1)

式中：X為霍爾傳感器到強(qiáng)磁鐵中心的距離，L為強(qiáng)磁鐵的厚度(這里選用L=0.27 cm，B0=92 mT)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，報(bào)警位置結(jié)果如表1。在表1中，當(dāng)車輪起始位置0.92 cm，根據(jù)公式(1)，計(jì)算得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B1為1.5 mT；當(dāng)車輪偏離0.32 cm時(shí)，根據(jù)公式(1)，計(jì)算得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B2為8.1 mT；這時(shí)B=B2-B1=6.6 mT。輸出電壓的變化量U=6B=39.6 mV時(shí)，電路報(bào)警，提示車輪偏離。

表1 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig. 1 The results of the stability test

在電路程序中，輸出電壓變化量大于預(yù)設(shè)值35 mV時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警。由以上數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)霍爾傳感器與強(qiáng)磁鐵中心距離(起始位置-偏離位置)大于0.6 cm時(shí)，輸出電壓的變化量為39.6 mV，大于預(yù)設(shè)值35 mV，此時(shí)聲光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。表明高速轉(zhuǎn)輪發(fā)生抖動(dòng)，且偏轉(zhuǎn)角大于1.14°，使得報(bào)警器報(bào)警。此電路精確測(cè)了出高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性參數(shù)。

3.2 高速轉(zhuǎn)輪速度的測(cè)量

如圖4中的模擬裝置，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪，傳感器YS49E-A/B測(cè)試轉(zhuǎn)輪速度，顯示屏顯示轉(zhuǎn)速值。該系統(tǒng)以ω=32 rad/s旋轉(zhuǎn)，觸摸屏顯示速度值如表2所示。

表2 速度測(cè)試結(jié)果Fig. 2 The results of velocity test

在表2中，顯示了測(cè)試速度的10個(gè)結(jié)果。依據(jù)結(jié)果求平均值和系統(tǒng)誤差，得出系統(tǒng)穩(wěn)定性。

平均誤差為：

相對(duì)誤差為：Δb=0.1 rad/s,

在上述實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)中，取r=0.3 m，轉(zhuǎn)速加大，當(dāng)ω≤100 rad/s時(shí)，系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確，當(dāng)ω>100 rad/s時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，誤差較大；當(dāng)轉(zhuǎn)輪半徑r=0.5 m，轉(zhuǎn)速≤6 000 km/h時(shí)，其測(cè)試結(jié)果仍在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果精確。該設(shè)計(jì)能很好完成高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性和速度的測(cè)試，顯示結(jié)果正常，控制良好。該系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，不受環(huán)境影響；響應(yīng)速度快，較GPS檢測(cè)成本低。這里用便捷式PLC控制，也可用單片機(jī)控制，這樣可以縮小體積，攜帶、安裝方便。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以精確測(cè)量轉(zhuǎn)輪為100 rad/s以上的速度，轉(zhuǎn)輪半徑為0.5 m時(shí)，可以為轉(zhuǎn)速6 000 km/h的轉(zhuǎn)輪提供精確測(cè)量；高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性測(cè)試，可以測(cè)試偏轉(zhuǎn)角θ≤1.14°，能夠準(zhǔn)確提供報(bào)警信號(hào)。該設(shè)計(jì)體積小、能耗低、成本低，適合開發(fā)安裝。該設(shè)計(jì)思想適合應(yīng)用于工業(yè)控制，或車輛的檢測(cè)，這將對(duì)高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性和速度的檢測(cè)控制有著重要意義。