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1、霍尔传感器测量电机转速一、背景随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量 控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种由 单片机 C8051F060 作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测 量系统。二、工作原理1、转速测量原理转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测 频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了 M法（测频法）。 由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运 动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转 盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步
2、旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转 盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频 率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期 根据式（1）即可计算出直流电机的转速。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施 加外磁场B在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器 件的 2 个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开 关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量 转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。在这里选用美国史普拉格公司（
3、SPRA GUE）生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件 的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路 输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单输出电平可与各种 数字电路兼容等特点。2、 转速控制原理直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用 C805 1F060片内的D/A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的 转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节 器的输出系统式为：y (2)式中：Y为调节器的输出；e（t）为调节器的输人，一般为偏差值；Kp为比 例系数。从式(2)可以
4、看出，调节器的输出Y与输入偏差值e(t)成正比。因 此，只要偏差e(t)出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点, 这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主 要取决于比例系数Kp,比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。 反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节， Kp 太大时将会 引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太 大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比 例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分 调节器)或PID(比例、积分、微分
5、调节器)算法。三、系统的硬件软件设计1、硬件设计本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量 电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调 整控制电机的转速，硬件组成由图1所示。控制转竦C5O51-FQ60圏测速系境顼件纽威框图控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数 定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯 片实现数码显示等多项功能。系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000, T0定时1 ms， 初始化时 TH0=(-SYSCLK / 1 000)8； TL0
6、=-SYSCLK / 1 000。等待 1 s 到，输出 转速脉冲个数N,计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转 速值，并在 LED 上输出测量结果。2、 软件设计本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1 工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数； T0 工作于定时器方式均工作于方式 1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机 的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测 得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若 小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整
7、电机的转速，直到转速值等于预设 定的值，这样就实现了对电机转速的控制，主程序和T0中断流程图如图2、3 所示。初始牝时神初蛤化走时髓TO初始忧【0端口便龍比较器 使能DAC Q 初蛤化7279(錯東J图2主程序流程幽图3 TQ中浙程序瓯程閔3 、 测试结果首先在软件中给出转速预设值，即给定常量 speed 的值，观察速度稳定 后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评 价测量的准确性，测试结果如表 1 所示。根据实验测试和误差分析绘制了测量误 差曲线，如图4 所示。误差分析表明，转速测量误差在5以内，并且随着转速 预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降，函数关系如
8、式(3)所示。- 0, 93 + 9, 19& 41 X exp (一 x/673. 60947) (3)ft 1转逸测试结果荒设转速值Hrmin-9TiU转速值/(-Mtt曲践拟金曲I线1 0001 5002 D002 5003 000辑連值/ ( r- min1 )图斗测雄误差曲线四、实验总结本测速系统采用集成霍尔传感器霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应 快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器霍尔传感器的输出信号经信号调理后， 通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资 源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在 5 以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测 和控制中均可应用。应电 0803 08362328 方雯
