基于霍尔传感器的电磁激振器电流检测系统设计

曹青松，向 琴，熊国良

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)

0 引言

激振器是用于为某些机械和设备产生激励力的装置，它一般分电动力式、电磁式和液压式3种。其中，电磁式激振器具有体积小、重量轻、激振力大以及非接触式等优点，在现代工业、农业、医学等领域应用广泛[1-3]。作为许多工程应用系统的关键部件，电磁激振器保持良好的工作状态至关重要。电磁激振器内部铁芯上有两组线圈，分别通入直流电流与交变电流，直流电流产生恒定偏磁力，交变电流产生交变电磁力，只有在保证交变电磁力小于恒定偏磁力的条件下才能使得衔铁产生幅值合适且不失真的谐波振动，故应使交变电流幅值小于直流电流值[4]。电磁激振器的直流电流值通常是恒定的，因此须实时检测交变电流幅值，确保其始终在合理范围内。

电流检测方法一般有接触式和非接触式两种，接触式的检测方法使用较多，其优点在于检测精度高，但属于侵入式测量，两部分电路可能存在干扰，并且检测电路位置无法移动；非接触式电流检测通常是利用某些电磁效应的间接测量方法，被测电路不受检测电路影响，二者相互隔离[5]。霍尔传感器是一种典型的非接触式电流检测元件，近年来在电气测量领域备受亲睐[6-7]，它具有较高精度，良好线性度，低温漂，响应快，频带范围宽，抗干扰能力强等优点。

鉴于上述分析，文中设计了基于霍尔传感器的电磁激振器电流检测系统。系统采用霍尔传感器进行电流检测，通过A/D转换器实现交流采样，选用数码管实时显示检测值。最后进行了模拟测试，分析了系统测量精度。

1 系统硬件设计

系统硬件组成如图1所示，主要包括单片机、A/D转换器、霍尔传感器和数码管4个部分。系统以STC89C52单片机为核心，应用霍尔传感器技术，实现对电磁激振器的电流检测。电磁激振器工作需要通入交流电，为便于模拟测试，采用交流恒流源输出一定幅值的交变电流激励电磁激振器工作，二者的传输导线穿过霍尔传感器，利用单片机控制A/D转换器采集传感器的输出信号，并运用算法处理数据，最终结果用于数码管显示及作为蜂鸣器与继电器反应的判据。

图1 系统硬件组成图

1．1单片机

系统采用的STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K 在系统可编程Flash存储器，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图2为系统硬件电路图，单片机P1口为数字量读入接口，P0口输出数据用于数码管显示，P3．2为片选信号接收端口，P3．3为A/D转换完毕信号接收端口，P3．6与P3．7分别为读、写端口，P2．7为继电器控制输出端口。

图2 系统硬件电路图

1．2霍尔传感器

霍尔传感器所利用的霍尔效应是指在半导体薄片两端通一控制电流I，并在薄片的垂直方向加上磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为VH的霍尔电压。

霍尔电势VH的大小，由式(1)决定：

VH=KHIBsinα

(1)

式中：KH为霍尔常数，表示单位磁感应强度和单位控制电流下所得的开路霍尔电势，它取决于材质、元件尺寸，并受温度变化影响；α为电流方向与磁场方向夹角。

通电导线会产生环形磁场，并有Id∝VH∝B，其中Id为导线电流，将霍尔传感器置于环形磁场中即产生霍尔电势VH，从而反推出导线电流值[8]。

该系统选用BJHCS-LSP3-10型闭环霍尔电流传感器，它能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电流等。传感器的输出为模拟信号，能反映通电导体的的真实波形。根据其电气特性，测量电路中的电流值ik的计算公式为：

(2)

式中：UOUT为霍尔电流传感器的输出经A/D转换后的电压值，电压值范围为0.4～2.9 V．

1．3A/D转换器

由于STC89C52片内没有A/D转换模块，而传感器的输出为模拟信号，根据系统的设计要求，需要在片外扩展A/D转换接口，实现模数转换。系统选用8位逐次逼近型的ADC08 04转换器，其模拟输入电压VIN为0～5 V，模数转换时间约为100 μs．如图2所示，在CLKIN、CLKOUT端设计RC振荡电路，由于ADC0804频率在fCLK<1 MHz时才能保证精度，故根据公式fCLK=1.1RC，选择电阻R=20 kΩ，电容C=100 pF．ADC0804的VCC管脚接+5 V电压，其Vref/2管脚不接时默认参考电压为5 V，为提高转换精度，将Vref/2管脚接电压1.25 V，即参考电压为2.5 V．设：霍尔传感器输出的模拟信号为X，输入单片机的电压数字量为UOUT，则

(3)

在式(3)的基础上通过式(2)计算出被测电流值。

1．4数码管显示

利用数码管显示交变电流的幅值。数码管为共阴极8段数码管，其段选编码为{0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f，0x77，0x7，0x39，0x5e，0x79，0x71}；位选编码为{0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf}；锁存器采用2个74HC573，段选锁存连接单片机P2．6端口，位选锁存连接P2．7端口。数码管显示采用动态扫描方法，通过单片机P0口将交变电流幅值传输给锁存器，再逐位显示在数码管上。

2 系统软件设计

系统设计流程图如图3所示，程序采用模块化结构，主要包括主程序、延时模块、A/D采样模块、中断模块以及数码显示模块。

图3 系统设计流程图

2．1主要程序模块

主程序是协调各子程序并实现设计功能的程序主体。首先，系统初始化，上电延迟，选择定时器0，打开总中断及定时器0中断，并确定计时时间；然后，使A/D转换器循环采样N次，采用交流采样算法对数据进行处理，计算出交变电流幅值，将其与设定的最大电流值进行比较，如果检测值大于最大电流值即过流，接入在主电路的继电器断开，蜂鸣器报警并在数码管上显示“—”，反之，则启动定时器0，数码管动态扫描显示检测值，显示1 s后，返回到ADC0804启动环节，重复检测。

延时模块用于系统上电延迟，以防止检测系统检测到上电信号或者随机信号，影响检测精度。

A/D采样模块是实现模数转换的程序模块，该模块返回值为霍尔传感器测得的电压瞬时值，需在主程序中将其按式(2)换算为电流瞬时值。

中断模块是用于计时的中断程序，在程序中主要用于控制数码管动态扫描时间间隔。数码管动态扫描是利用人眼视觉滞留原理，通过设置中断计时时间，来控制数码管逐位显示的速度，当速度足够快时，人眼观察为几位数码管同时显示数值。

数码管显示模块是用于显示被测电路电流值的程序，在检测系统中，选择三位数码管进行显示，示值范围设置为0.00～9.99 A．采用动态扫描法显示电流值，在循环程序中，设置位选编码及该位数码管示值的段选编码，逐位显示。需要注意，显示前应先将数码管输入接口P0口置1，即数码管所有引脚接高电平，从而避免显示出现叠影。

2．2交流采样

霍尔传感器能够检测交变电流，但输出为模拟量，经过A/D转换器采样后，传送到单片机内的数字量为交变电流在检测时刻的瞬时值。根据电磁激振器的工作原理可知，需要限制的参数为通电电流的幅值，因此，需要运用交流采样技术进行信号的采集，并利用交流采样算法处理信号。

交变电流的幅值Im与有效值Irms的关系式：

(4)

交变电流的有效值Irms的定义式：

(5)

将电流有效值公式离散化，以单个周期内有限个采样电流数字量来代替该周期内连续变化的电流函数值，则上式为：

(6)

式中：ΔTk为相邻两次采样的时间间隔；ik为第k-1个时间间隔的电流采样瞬时值；N为单个周期内的采样点数。

假设时间间隔ΔTk为一个常数，可知N=T/ΔTk+1，将此式带入式(4)、式(6)，则单个周期内电流的幅值为：

(7)

每个周期等时间间隔采样N个点，电磁激振器交变电流的频率为f，则实际的采样时间间隔为[(N-1)f]-1。系统中，N=36，f=50 Hz，因此，采样时间间隔为0.57 ms．将各采样点数据按式(7)叠加，即可获得交变电流的幅值。

3 模拟测试

为验证检测系统的准确性，进行了模拟测试。测试结果如表1所示。其中I0为交流恒流源实际输出的交流电幅值，Im为检测系统显示测量值，设置电流最大值为9.99 A，测量误差公式为：

ε=|Im-I0|/I0

(8)

表1 测试数据

由测试结果可知，系统能够对电路进行实时电流检测、显示测量值，具有过流报警功能。并且测量幅值接近霍尔传感器额定值的电流时，系统误差较小，反之误差较大，因此，在进行传感器的选型时应充分考虑电磁激振器工作电流的取值范围，以减小系统测量误差。

4 结束语

针对如何实时检测电磁激振器交变电流幅值的问题，文中根据霍尔效应测导线电流的基本原理，运用交流采样技术，设计了基于霍尔传感器的电磁激振器电流检测系统。模拟测试表明，检测系统能够满足设计要求，将该系统作为电磁激振器的控制电路，即可对电磁激振器进行电流的实时检测与主电路的过流保护，避免了电磁激振器在工作中产生非谐波振动而导致经济损失，具有一定的工程实践应用价值。

参考文献：

[1]龙建军，吴金萍．振动料斗电磁激振器微控制器控制．机械科学与技术，2000，19(2)：284-285．

[2]KIM J H，KIM J H，JEONG S H，et al．Design and Experiment of an Electromagnetic Vibration Exciter for the Rapping of an Electrostatic Precipitator．Journal of Magnetics，2012，17(1)：61-67．

[3]何明霞，秦利，王康．基于PIC18F4523的电磁激振器驱动系统设计．嵌入式系统，2009，31(4)：441-461．

[4]于元东．非接触式激振器的研究与设计：[学位论文]．南京：南京航空航天大学，2009．

[5]刘宝琦，钱芸，郭树旭．直流微弱电流自动测试系统．电子测量与仪器学报，2002，16(4)：21-26．

[6]SUN Y，LIN J，MA D，et al．Measurement of penetration force using a Hall-current-sensor．Soil and Tillage Research，2007，92(1)：264-268．

[7]ALLEY R P．Current sensor using hall-effect device with feedback：U．S．Patent，4823075[P]．1989-4-18．

[8]李岐旺，卫薇，郑一阳．霍尔电流传感器．仪表技术与传感器，1991(1)：7-10．

作者简介：曹青松，副教授，博士，主要从事无损检测、机电一体化以及振动控制等方面的研究。

E-mail：2000cqs@163．com．

向琴，硕士研究生，主要从事机电一体化方面的研究。

E-mail：xiangqin199012@sina．com．