霍爾傳感器的一種特殊應(yīng)用

1 引言

　　等離子自動高低調(diào)節(jié)器是切割機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最佳切割距離，消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能準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。切割的弧電流強光會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

　　該設(shè)計方案利用霍爾效應(yīng)原理產(chǎn)生隨磁場變化而產(chǎn)生變化的電壓，把變化的電壓送到自動高低調(diào)節(jié)器，控制割炬的上升與下降，形成一個閉環(huán)的自動高低調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示。該閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關(guān)手動自動轉(zhuǎn)換器、光電耦合器、三態(tài)門互鎖器、電機驅(qū)動器以及機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時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，使磁場的磁感應(yīng)強度B的方向與板垂直，當(dāng)導(dǎo)體板中流經(jīng)一定電流時，垂直于磁場和電流方向的導(dǎo)體板的橫向兩側(cè)會產(chǎn)生一定的電勢差，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是一個霍爾傳感器，它共有4個接線端，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。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，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，其高頻信號的范圍較寬，這就需對信號電壓進行高頻濾波，從而獲取有用信號，再將其信號送至等離子自動高低調(diào)節(jié)器。以運算放大器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。由于高頻信號經(jīng)LM324運算放大器后，還有部分雜散的高頻信號沒有濾除，電容C1用于濾除高頻信號，而電感L1阻礙高頻信號，只允許被檢波的低頻解調(diào)信號通過，這樣在負載R1上就建立了微弱的電壓信號。

2．3 差分運算放大器

　　運算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3，引腳3緩沖輸出，用于隔離信號源，提高負載驅(qū)動能力。D2和D3二極管具有箝位作用，正向?qū)?，信號電壓被耦合至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，將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳，由B4的7引腳輸出放大后的信號。

2．4 比較器

　　控制系統(tǒng)中的比較器將差分運算放大器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引腳無電壓輸出。這時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點亮，從而指示割炬的升高或降低。調(diào)節(jié)VR3電位器中點電壓，改變E4的4引腳和7引腳電壓，使其始終箝位于0．3 V，實際上就是改變割炬離鋼板的實際距離。由圖2看出，當(dāng)割炬離鋼板時，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)。比較器信號無法通過，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時就為斷弧，處于斷弧狀態(tài)時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)生下降的負向微分信號來觸發(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)生提升動作，從而為自動定位作好準備。即使在數(shù)控機切割爬坡過程中，突然斷弧。割炬也會順速提升，割炬避免與鋼板碰撞，從而保護割炬。

2．6 模擬開關(guān)手動自動轉(zhuǎn)換器

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

2．7 定位起弧電路

　　自動定位時，K3處于自動狀態(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)動電機電路，從而驅(qū)動直流電機正轉(zhuǎn)。通過絲杠帶動割炬向下運動，割炬碰到鋼板，鋼板頂起割炬，直到割炬觸頭碰到微動開關(guān)L1。L1微動開關(guān)閉合，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時電路G2的8引腳，9引腳輸出階躍上升信號，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。該信號同時通過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)動電機電路，從而驅(qū)動直流電機反轉(zhuǎn)，G2的9引腳延時單穩(wěn)時間或割炬上升定位時間，或直流電動機反轉(zhuǎn)提升割炬時間。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時間常數(shù)的積分延時，3引腳輸出一個脈沖方波，通過D29和光耦，使繼電器上電，常開觸點閉合，啟動起弧開關(guān)，傳送至等離子發(fā)生器，使得強大的電流擊穿鋼板，起弧成功。霍爾傳感器采樣起弧信號，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，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

2．8 可變占空比產(chǎn)生器

　　手動和自動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 光電耦合與電機驅(qū)動電路

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

　　當(dāng)上升信號通過VLC1時。D36的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)亮，并在R45上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門S1的2引腳和三態(tài)門S4的12引腳端，與此同時，由于VLC3無信號，D37截止，在R47上無電壓，該低電平信號通過S2，輸出給S1控制端，S1 三態(tài)門選通。S1導(dǎo)通的同時，選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門控制端，封鎖S3 三態(tài)門導(dǎo)通。

　　當(dāng)下降信號通過VLC3時，D37導(dǎo)通，并在R47上建立電壓，該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時，由于VLC1無信號，D36截止，R45上無電壓，該低電平信號通過S4，輸出給S3的控制端，S3三態(tài)門選通；在S2導(dǎo)通的同時，選通的S2輸出信號加到S1的三態(tài)門控制端，封鎖S1。

　　當(dāng)S1、S2、S4選通時，V1、V5、V6、V4、V10導(dǎo)通；V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10導(dǎo)通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機正轉(zhuǎn)，電容探頭提升；當(dāng)S2、S3、S4選通時，V2、V7、V3、V8、V9導(dǎo)通；V1、V5、V6、V4、V10截止，由于V9和V7導(dǎo)通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機反轉(zhuǎn)，電容探頭下降。

　　該電路受外界電磁干擾或者誤操作，同時按動“上升”和“下降”按鈕，可能導(dǎo)致VLC1和VLC2同時選通，但由于74LS125三態(tài)門具有保護作用，只允許上升或下降信號通過，電路具有互鎖性，可避免燒壞后續(xù)驅(qū)動管。當(dāng)電機電流超過V6、V7、或V9、V10驅(qū)動管額定電流時，驅(qū)動管可能被燒壞。因此，采用74LS125三態(tài)門互鎖，并在V7和V10發(fā)射極增加采樣電阻。當(dāng)采樣電壓超過光耦導(dǎo)通電壓，光耦輸出將調(diào)高的信號電壓短路，使信號電壓不能通過VLC1或VLC2，這樣就保護了驅(qū)動管。

3 割炬定位結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

　　割炬定位機械結(jié)構(gòu)是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關(guān)、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬，割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些，這樣可在夾圓孔中上下活動。由于彈簧和重力的作用，割炬平穩(wěn)垂直地放在割炬夾圓盤上，水電纜穿過霍爾傳感器，霍爾傳感器采集切割變化的電流，如圖5所示。割炬定位時向下運動，割炬碰到鋼板后，鋼板頂起割炬，這時割炬與割炬夾產(chǎn)生相對運動，彈簧被壓縮，直到割炬觸頭碰到微動開關(guān)L1。L1閉合產(chǎn)生的觸發(fā)信號通過信號線傳給自動高低調(diào)節(jié)器，通過觸發(fā)單穩(wěn)延時電路，產(chǎn)生割炬上升定位時間，也是直流電動機反轉(zhuǎn)提升割炬時間。由于割炬的提升，壓縮彈簧逐漸恢復(fù)，如果事先通過自動高低調(diào)節(jié)器設(shè)定割炬提升時間常數(shù)，從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離，獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。

4 調(diào)試與使用

　　系統(tǒng)使用前應(yīng)進行電路自檢。首先打開電源開關(guān)，這時電機提升，D36點亮，說明D單穩(wěn)態(tài)3引腳輸出高電平；按下SB1和SB2，割炬上升或下降，說明F1和F2振蕩器和功率驅(qū)動正常：自動／手動開關(guān)K3置于自動狀態(tài)位，按下SB3按鈕，D36先點亮，瞬間熄滅后，D37點亮，接著熄滅，說明G1和G2定位系統(tǒng)正常；K1和K2分別打在1和2位置，調(diào)節(jié)VR1電位器，如果三位半板表有電壓變化指示，說明運算放大器C1和B正常；板表測到一個電壓值，再左右調(diào)節(jié)VR3電位器，如果D19和D20交替點亮，說明比較器E正常的。

　　K1打在1位置，K2打在2位置，K3在手動位置，啟動起弧測量。如果板表測量值在3 V和8 V之間，將K2設(shè)在3位置，并調(diào)節(jié)VR3，使電壓介于3 V和8 V之間，然后把K3打在自動位置，就可以測量。

　　根據(jù)實際情況霍爾傳感器可選型為：40 A／4V，60 A／4V，80 A／4 V，100A／4 V，120A/4 V，160 A／4 V，200 A／4V，300 A／4 V?；魻杺鞲衅髋c高低調(diào)節(jié)器之間連接，應(yīng)使用屏蔽電纜，屏蔽線接地，以免等離子起弧時，空間的強大電磁干擾把霍爾傳感器里面的電路擊穿而損壞。

5 結(jié)束語

　　霍爾傳感器應(yīng)用到數(shù)控切割中是等離子切割機一種新的調(diào)節(jié)方法。這種方法不但切割后工件質(zhì)量好，精度達到要求，同時還減輕了操作者的勞動強度。該系統(tǒng)設(shè)計不但可用于常規(guī)的套料切割，還可以用于水下套料切割，省時、省力、自動化程度高，安全可靠，通過多年的實際應(yīng)用，使用效果良好。