霍尔传感器的一种特殊应用

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。

2．1 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。
2．2 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。
2．3 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。
2．4 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0．3 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0．3 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。
2．5 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。
2．6 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。
2．7 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C1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。
2．8 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。
2．9 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，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：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。霍尔传感器与高低调节器之间连接，应使用屏蔽电缆，屏蔽线接地，以免等离子起弧时，空间的强大电磁干扰把霍尔传感器里面的电路击穿而损坏。

5 结束语
    霍尔传感器应用到数控切割中是等离子切割机一种新的调节方法。这种方法不但切割后工件质量好，精度达到要求，同时还减轻了操作者的劳动强度。该系统设计不但可用于常规的套料切割，还可以用于水下套料切割，省时、省力、自动化程度高，安全可靠，通过多年的实际应用，使用效果良好。