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1、霍尔传感器等离子调高霍尔传感器等离子调高霍尔传感器的一种特殊应用日期：2008-10-22 来源：国外电子元器件 作者：罗佰绥，熊小民 字体：大 中 小 1 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
2、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。 21 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
3、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调节器。以运算放大器 C1 的引脚 1 的输出电
4、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。22 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。23 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
5、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。24 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 03 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
6、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 03 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
7、 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。25 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
8、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。26 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。27 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 C
9、1 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
10、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
11、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。28 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。29 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
12、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
13、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，
14、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
15、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
16、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 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
