一種新型霍爾傳感器信號檢測分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對無刷直流電機(jī)中霍爾傳感器安裝工藝上的缺陷，設(shè)計實現(xiàn)了一個基于虛擬儀器架構(gòu)的邏輯信號檢測分析儀對電機(jī)霍爾傳感器信號進(jìn)行檢測。采用AT89S52單片機(jī)作為信號采集器，通過RS232串口實現(xiàn)單片機(jī)與PC通信，應(yīng)用VB 設(shè)計圖形化的界面對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　無刷直流電機(jī)（BLDC） 應(yīng)用中，常采用霍爾傳感器來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的實際位置，給電子換向提供依據(jù)。 然而，由于制造工藝的限制，霍爾傳感器的安裝有可能會產(chǎn)生物理位置偏差，從而造成電子換向的時間發(fā)生偏差，影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和平穩(wěn)度。 為了能檢測出這個制造工藝上的缺陷，在工業(yè)上采用了專用的電機(jī)檢測設(shè)備，然而這些設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴。 本文基于虛擬儀器架構(gòu)的設(shè)計思想，設(shè)計了一個低成本的邏輯信號檢測分析儀來檢測電機(jī)霍爾傳感器信號。

　　1.系統(tǒng)方案

　　本設(shè)計采用廉價的51 單片機(jī)作為信號采集器，51單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給PC，PC再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析并且繪制波形。 硬件部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　利用51單片機(jī)的P1口作為信號采樣口，可以同步采集8路邏輯信號， 然后通過RS232串口，將同一時刻采集到的8路邏輯電平作為一個字節(jié)的8個bit傳送給PC。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　2.軟件部分

　　2.1單片機(jī)部分

　　AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，其具有8KB可擦寫1000次的在線可編程ISP 閃存、3級程序存儲器加密、256B內(nèi)部ARM、32 條可編程I/O線、3個16位定時器#計數(shù)器、8 個中斷源、UART串行通道等特點。 在AT89S52單片機(jī)上，采用P1口作為采樣口，Timer()為等待時間計時器，Timer2用于串口波特率的定時器。串行口數(shù)據(jù)通信協(xié)議是：數(shù)據(jù)傳輸速率為57600b/s 8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。 串行口通信初始化程序為：

　　當(dāng)51單片機(jī)上電后，便開始不停地采樣和發(fā)送數(shù)據(jù)， 這類似于計算機(jī)上的“DMA”方式，單片機(jī)的主程序流程圖如圖2所示。主程序部分代碼為：              

圖2 單片機(jī)主程序流程圖

　　2.2部分

　　在PC上采用VB來編寫串行口接收、存儲、分析數(shù)據(jù)的程序，借鑒了“虛擬儀器架構(gòu)” 的設(shè)計思想，力求通過操作PC 端軟件來完成所需要的測試功能，就像在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺電子儀器一樣。

　　首先要初始化串口，必須將MSComm控件的通信特性設(shè)置為同51單片機(jī)一致方可正常通信。

　　串行口初始化完成后利用MSComm控件可以從串口實時的接收數(shù)據(jù)。ONComm是MSComm控件的通信事件處理函數(shù)。其串口通信的程序為：

　　以上是串行口接收數(shù)據(jù)程序，PC 端在接收到數(shù)據(jù)后還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示， 在本系統(tǒng)中通過繪制數(shù)據(jù)采樣結(jié)果來直觀地顯示采集到的信號信息。

　　PC 端軟件除以上功能外， 還具有對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤和讀取歷史采樣的功能。

　　3. 應(yīng)用實例

　　霍爾傳感器在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它用于檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置， 為開關(guān)電路提供正確的換相信息。若霍爾傳感器的相位產(chǎn)生偏差則會使電子換向的時間發(fā)生偏差， 影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和平穩(wěn)度。若霍爾傳感器的相位缺相，則會使電機(jī)相電流變大和電磁轉(zhuǎn)矩脈動增大， 甚至燒毀電機(jī)。所以霍爾相位的檢測是十分重要的#本文中將設(shè)計的邏輯信號檢測分析儀應(yīng)用在電機(jī)霍爾傳感器信號檢測上。其硬件電路如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器信號檢測硬件電路

　　無刷直流電機(jī)（BLDC）一般有3 個霍爾傳感器， 其產(chǎn)生的3個信號被51單片機(jī)采樣， 信號通過RS232串口線被送入PC，在PC 上運(yùn)行接收和分析軟件可對采集到的信號進(jìn)行分析、 顯示。將檢測電路連接好后，用手轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)子，在軟件上啟動采樣，一段時間后停止，可以得到如圖4的波形。 由圖4可以看出當(dāng)BLDC的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，霍爾信號會呈現(xiàn)出一種方波的波形， 并可以通過分析軟件的功能對三路霍爾信號的位置變化進(jìn)行有效的分析。

圖4 PC端上采集到的霍爾信號分析界面

　　本文設(shè)計的基于虛擬儀器架構(gòu)的邏輯信號檢測分析儀充分發(fā)揮了單片機(jī)和PC 機(jī)的作用，可以同步采樣8路信號， 存儲、 記錄大量的測試數(shù)據(jù)，能夠?qū)z測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和圖形顯示。 文中成功地將其應(yīng)用于電機(jī)霍爾傳感器信號檢測中，并取得良好的效果。由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適用面廣、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點， 可將它運(yùn)用于各種多路信號的檢測方案中。