新型霍爾式智能閥門定位器原理與設(shè)計(jì)

　　目前，智能閥門定位器的位置反饋機(jī)構(gòu)，多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，存在磨損大、精度低、壽命短等缺點(diǎn)�；�于霍爾傳感器技術(shù)和新型壓電閥控制技術(shù)，研制了一款國產(chǎn)新型霍爾式智能閥門定位器，實(shí)現(xiàn)了無接觸精確測量。同時(shí)，該產(chǎn)品具有無機(jī)械磨損、滯后小、結(jié)構(gòu)簡單可靠、運(yùn)行壽命長、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，研制了線性位移霍爾傳感器，硬件電路中應(yīng)用了超低功耗技術(shù)，控制算法中應(yīng)用了模糊控制等智能控制技術(shù)。產(chǎn)品定位精度等性能得到了顯著提升，其中，線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)及其低功耗應(yīng)用技術(shù)，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，產(chǎn)品整體水平具有行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢。

　　由于氣動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、綠色環(huán)保、安全可靠、抗高頻干擾、過載能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，得到了廣泛應(yīng)用。但是，在傳統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)備的位移檢測中，譬如閥位變動(dòng)器、氣動(dòng)定位控制器等，常用各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和接觸式電位器作為傳感器，所以往往出現(xiàn)磨損、氧化、老化、機(jī)械滯后等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測量和控制精度。而霍爾傳感器，作為一種無接觸、線性、高精度傳感器，則可以極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)位移檢測傳感器的不足。近年來，集成有霍爾元件和微處理芯片的低功耗霍爾傳感芯片，已經(jīng)開始應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面�；�于線性霍爾傳感器技術(shù)，北控集團(tuán)所屬北京京儀集團(tuán)公司，研制并推出了一款全新的霍爾式智能氣動(dòng)定位控制器。與傳統(tǒng)非霍爾式智能閥門定位器相比，具有無接觸、無機(jī)械磨損、長壽命、高精度等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1、霍爾效應(yīng)與線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)

　　1.1、霍爾效應(yīng)與霍爾傳感器基本原理

　　置于磁場中的載流體(一般多用半導(dǎo)體材料)，其若與磁場垂直放置，當(dāng)通以電流時(shí)，在與磁場和電流垂直的方向上，由于電荷因受到洛侖磁力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成電荷聚積，產(chǎn)生霍爾電勢，這便是霍爾效應(yīng)�；魻杺鞲衅鞅闶腔�于霍爾效應(yīng)的一種新型磁通強(qiáng)度傳感器，當(dāng)用于測量磁場中物體位移時(shí)，又稱霍爾位移傳感器，一般分為角位移和線性位移霍爾傳感器，通過檢測永磁磁場中，不同位置處的磁通量的變化，來探測物體的位移量。

　　霍爾線性位移傳感器測量原理如下：兩塊NS磁極倒置、且相對平行放置的條形磁鋼，和一個(gè)霍爾探頭共同組成了一個(gè)位移測量系統(tǒng)，其磁場場強(qiáng)仿真曲線如圖1所示。其中，矢量箭頭表示磁力線的大小及方向;磁場中的圓形物體，表示霍爾傳感器探頭，磁力線垂直穿越霍爾探頭。當(dāng)探頭上電后，由于霍爾效應(yīng)的存在，便會(huì)輸出霍爾電壓。霍爾電壓與電流、磁場強(qiáng)度和霍爾系數(shù)的關(guān)系如下：

圖1 磁場場強(qiáng)仿真曲線圖

　　其中：Rh為霍爾系數(shù)；IS為電流強(qiáng)度；B為磁場場強(qiáng)；d為磁鋼間距。當(dāng)Rh、IS和d三個(gè)參數(shù)固定或保持恒定時(shí)，霍爾電壓便與磁場強(qiáng)度的大小成正比關(guān)系，這便是線性霍爾傳感器的測量原理。

　　1.2、線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1.2.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖2是線性位移霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)圖。磁鋼材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是該部分的重點(diǎn)內(nèi)容。其中，磁鋼選材要求：①磁一致性好，磁性均勻；②結(jié)晶體結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，抗腐蝕性很強(qiáng)；③磁鋼的磁性容易控制；④溫度特性良好。綜合考慮，鋁鎳鈷磁鋼符合要求。

圖2 線性位移霍爾傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　同時(shí)，導(dǎo)磁鋼片，也是傳感器磁路的重要環(huán)節(jié)，導(dǎo)磁材料的磁阻必須要小，選用具有特殊摻雜的鐵鎳合金。另外，磁鋼物理尺寸和磁體封裝工藝等，也是線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)中的重要因素。設(shè)計(jì)中，構(gòu)建了封閉性磁體結(jié)構(gòu)，并用特殊材料對磁體外部及特殊部位進(jìn)行了磁屏蔽封裝。在進(jìn)行定位器設(shè)計(jì)時(shí)，將霍爾傳感器的探頭與定位器固定在一起，并保持靜止不動(dòng);經(jīng)過特殊工藝加工處理后的永久磁鋼與氣動(dòng)閥的閥桿，用特殊工裝和螺栓固定在一起，并隨著閥桿的運(yùn)動(dòng)而同步移動(dòng)。磁鋼結(jié)構(gòu)與閥桿的連接要牢固，并盡量貼近閥桿部位，防止氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高速調(diào)節(jié)時(shí)引發(fā)霍爾傳感器發(fā)生顫振，影響定位功能。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不僅具有良好的抗電磁干擾的能力，而且具有很高的測量精度。

　　1.2.2、時(shí)序控制與低功耗設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中采用了一款低功耗線性霍爾元件芯片，其主要特性如下：它的工作電壓為2.4V～3.5V，典型工作電流和功耗分別為3.2mA和10mW;在非工作狀態(tài)下功耗電流小于25μA。磁場的磁通量為零時(shí)，傳感器輸出電壓是參考電壓的一半，最大飽和磁通所對應(yīng)的最大輸出電壓為電源電壓;在非飽和狀態(tài)下，磁場中的磁通量每變化10-4T，傳感器輸出電壓變化不小于2mV，且兩者成線性關(guān)系。該芯片有一個(gè)重要的控制端，通過時(shí)序調(diào)節(jié)與軟件控制，可以使霍爾元件進(jìn)入不同工作狀態(tài)，極大地降低元件平均工作電流，從而滿足系統(tǒng)低功耗需要。檢測表明，采取綜合措施后，霍爾芯片平均功耗電流不超過100μA。

2、霍爾式智能閥門定位器原理與設(shè)計(jì)

　　2.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　霍爾式智能閥門定位器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，共由八個(gè)部分組成：①前端信號處理；②電源(包括I/V變換、電壓變換和升壓電路)；③輸入-輸出-人機(jī)部分；④位置反饋輸出(包括4～20mA/HART接口、專用通信模塊)；⑤輸出驅(qū)動(dòng)電路與集成式壓電閥；⑥霍爾傳感器；⑦位置檢測放大部分；⑧CPU最小應(yīng)用系統(tǒng)等。其中，霍爾傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與核心。

圖3 霍爾式智能閥門定位器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2、硬件電路設(shè)計(jì)

　　圖4是霍爾式智能閥門定位器硬件原理框圖，上面的虛線框圖內(nèi)是定位器主控電路板部分。下面兩個(gè)小型虛線框圖是具有標(biāo)準(zhǔn)接口的插接件電路板。各部分主要組成及其工作原理如下：

　�、賮碜陨霞壙刂葡到y(tǒng)的電流信號，首先經(jīng)過保護(hù)與濾波電路。該部分主要由低通濾波器、TVS管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管等元器件組成，完成瞬態(tài)脈沖電流抑制、穩(wěn)壓、二次保護(hù)、I/V轉(zhuǎn)換等重要功能;②前端信號處理單元，完成檢流與信號放大功能，采用超低溫漂的康銅檢流器，結(jié)合共模抑制及補(bǔ)償放大電路和智能濾波軟件，完成了前端信號的實(shí)時(shí)采集與綜合濾波處理[4];③閥位反饋部分，主要有霍爾傳感器及其放大電路組成，其中，霍爾傳感器又分為永久磁鋼構(gòu)件和檢測探頭兩部分，代替了傳統(tǒng)的連桿、齒輪組件和旋轉(zhuǎn)式電位器，實(shí)現(xiàn)了定位器閥位無接觸式實(shí)時(shí)測量;④位置反饋輸出單元，擁有實(shí)用新型技術(shù)專利，在主控電路板留有標(biāo)準(zhǔn)插接口，并將(4～20)mA和HART輸出電路做成統(tǒng)一尺寸的插接件電路板，根據(jù)用戶不同需求，靈活配置;⑤I/P(電/氣)轉(zhuǎn)換單元，主要完成電-氣輸出驅(qū)動(dòng)信號的轉(zhuǎn)換，采用了世界最新的集成式壓電閥，將兩只開關(guān)閥與部分氣動(dòng)回路集成于一體，結(jié)合PWM控制技術(shù)，提高了控制性能;⑥電源單元是主控電路板的核心電路之一，用以產(chǎn)生3V、5V、24V等數(shù)組電壓，應(yīng)用基于高效電荷泵的DC-DC升壓技術(shù)和幅頻混合調(diào)制技術(shù)，有效降低了電源電路本身的電能消耗。

圖4 霍爾式智能閥門定位器硬件電路原理圖

　　另外，增加了按鍵、LCD顯示、片外E2ROM等附屬單元電路，增強(qiáng)了人性化設(shè)計(jì)。

　　2.3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.3.1、主程序

　　充分利用MSP430F4XX硬件資源，主程序設(shè)計(jì)采用了超低功耗，即“休眠+中斷”工作模式，如圖5、圖6所示。初始化完成后，主程序便進(jìn)入超低功耗休眠狀態(tài)——LPM3。期間，CPUoff位置位，CPU停止活動(dòng)，外圍模塊和ACLK信號繼續(xù)工作，MCLK及其鎖相環(huán)停止工作，DCO的DC發(fā)生器關(guān)閉。當(dāng)有中斷任務(wù)時(shí)，譬如周期采樣、鍵盤、通信等，系統(tǒng)被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，完成中斷任務(wù)后，又自動(dòng)進(jìn)入LPM3休眠狀態(tài)。該中斷工作模式，可以大大降低系統(tǒng)功耗，統(tǒng)計(jì)表明，該模式降低功耗10%以上。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷任務(wù)流程圖

　　2.3.2、基于PWM模式的智能控制算法

　　(1)PWM控制

　　PWM控制在非線性系統(tǒng)控制中具有獨(dú)特優(yōu)勢：①克服非線性因素的影響：PWM調(diào)制方式，可以將幅值連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈确�值、占空比變化的時(shí)域信號，因此可以忽略信號傳輸非靈敏區(qū)的影響，在伺服控制中，有效解決非線性系統(tǒng)存在的問題，譬如不靈敏區(qū)、低速爬行等。②降低功耗：在PWM控制模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管一般工作在開關(guān)狀態(tài)下，當(dāng)晶體管截止時(shí)，雖然電壓較大，但是電流接近于零;當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)，雖然電流較大，但是飽和導(dǎo)通電壓很低，所以功耗依然較低。因此，在電流型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，與其他控制方式相比，PWM控制方式可以有效降低系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功耗。③增加系統(tǒng)響應(yīng)速度。

　　(2)模糊+積分控制算法

　　經(jīng)典模糊控制實(shí)質(zhì)是PD控制，雖然在非線性控制中具有獨(dú)特優(yōu)勢，但是一般存在偏差。為了提高定位精度，對傳統(tǒng)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)，采用了模糊+積分控制算法等，其軟件流程如圖7所示。

圖7 一種改進(jìn)的模糊控制流程圖

3、結(jié)語

　　目前，已經(jīng)完成霍爾式定位器樣機(jī)。與傳統(tǒng)連桿式閥門定位器相比較，霍爾式智能閥門定位器具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。在霍爾傳感器低功耗應(yīng)用方面，擁有獨(dú)特的核心技術(shù)，其無接觸高精度測量技術(shù)，在智能閥門定位器和線性位移測量中，均具有國內(nèi)領(lǐng)先水平�；魻柺街悄荛y門定位器的研制，開創(chuàng)了無接觸、無磨損、高精度、高壽命智能閥門定位器的嶄新篇章，同時(shí)，也為閥位測量提供了新的方 法，為推動(dòng)和發(fā)展國產(chǎn)新型智能閥門定位器產(chǎn)業(yè)做出了積極努力。