线性霍尔传感器技术及其在气动定位控制中的应用

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Linear Hall Sensor Technology and Application of Linear Hall SensorUsed in Pneumatic Localizer Control FieldsCAI Ming，ZHANG Ying，BAI Xue-lian，LIU Zhao(Beijing Enterprise Group，Beijing Instrument Industry Group Co.，Ltd，Beijing 100022，China)Abstract：In order to reduce or eliminate these defects，including the high abrasion of mechanism structure，lower precisionand SO on，one kind of new Hal sensor with low-power consumption and linear displacement characteristics was made.There aremany notable characteristics，for examples，lower-power consumption，the higher linear degree，higher precision and better anti-jam·ming.At the same time，based on the technology of linear Hal sensor and the modern integrational piezo valves，a new kind of smartpneumatic localizer with Hal function was produced recently.Comparing to the traditional link-pole pneumatic localizer，there aremany advantages in the folowing fields，that is to say，no contact between the sensor and the moving object，no tear and wear，smalllag，simple structure and high credibility，running in longer time，and higher precisions。

Key words：Hall effect；linear hall sensor；pneumatic control；intelligent control；super low-power consumption1 霍尔效应与线性霍尔传感器1.1 霍尔效应基本原理置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，在垂直于电流和磁场的方向会产生-附加的横向电场，这个现象被称为霍尔效应。

在XYZ坐标系中，导体多为半导体试样，x方向通以电流i ，在 z方向加磁场 日，则在 y方向即试样 A-A 电极两侧，开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场，则霍尔电压为：号rh6式中：rh为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。

1.2 线性霍尔传感器及其测量原理霍尔传感器是基于霍尔效应的-种新型磁通强度传感器，常用于位移测量，通过检测永磁磁场中，不 同位置处的磁通量的强度，来探测物体的位移量。-般分为角位移和线性位移霍尔传感器两种。

图1所示，是-种由磁钢及霍尔探头组成的线性位移霍尔测量系统，在两块磁钢间形成测量磁场；磁场中的圆形物体表示霍尔传感器探头。在进行定位器设计时，将探头与定位器固定在-起，保持静止不动；经过特殊工艺加工处理后的永久磁收稿日期：2011-09-05 收修改稿日期：2012-1O-O8钢，与气动执行机构的阀杆固定在-起。当磁铁随着阀杆-起运动时，霍尔传感器探头感应磁场中不同位置处磁力的大邪方向，并输出与之具有线性对应关系的霍尔模拟电压，经过采样及-系列算法处理后，便会得到具体的位移数据。

图1 线性位移霍尔传感器原理示意图2 线性位移霍尔传感器设计与实现2.1 结构设计线性位移霍尔传感器的结构设计如图2所示。其中，磁体材料选用了铝镍钴磁钢。该磁钢具有如下显著特点：磁-致性好，磁性均匀，结晶体结构致密，强度高，抗腐蚀性很强，磁钢的磁性容易控制，温度特性良好 j。为了减少磁场外泄，用特殊材料对磁体外部进行了磁屏蔽封装，从而在磁钢之间形成了符合特殊分布规律的磁场，当霍尔传感器沿轴线方向做直线运动时，对输出的霍尔电压进行采样，并对数据进行特定算法处理，便可以得到霍尔探头在磁场中的位置，即被测对象的位移距离。实践证明，该霍尔传感器的结构设计，不仅具有良好的抗电磁干扰的能力，而且具有很高的测量精度。

14 Instrument Technique and Sensor Jan.2013导磁钢片- 图2 线性位移霍尔传感器结构图2.2 基于非线性特性的线性测量原理对图2中所设计的霍尔传感器的采样数据，进行拟合研究，结果表明，可以用某特定函数曲线来近似模拟。为了便于测量与计算，通过调整 ，通常取周期信号的特定单调区间，作为霍尔传感器的位移测量范围，如图3所示。

输出量cIb(x1，Ja(xo，Y0)位移量图 3 输入与输 出信号关系曲线图3中，a(x。，Yo)为测量值极小值；b( ，Y。)为标定零点；c(x ，Y )为随机测试点；d( ：，Y：)测量值极大值。测量对象的位移量 和传感器输出量Y 之间遵循如下关系：X i t xf ( ) t×/[÷(， -c)] (1)式中 为经验公式；0为输出信号幅值， - ； 为信号相位；c为常数值，c： 。

实际工程应用中，根据所标定零点 J，最终计算出相对于标定零点的位置偏移量 ：- X 1·2.3 软件设计霍尔传感器软件流程如图4所示，该软件主要分为2部分。初始化标定部分 ；正常测量过程。在初始化中，主要测定 3个关键点的参数：即最小值点、标定零点和最大值点。从而计算出两个非线性参数值A和G.在实时控制过程中，利用经验公式(1)，便可以求解出任意点Y 处对应的位移值 。

3 基于霍尔传感器技术的气动定位装置设计与实现3.1 硬件组成及其工作原理图5是霍尔式气动定位控制器硬件系统原理框图，虚线框图内是定位器部分。其组成及其工作原理如下：来自上级控制系统的电流信号，首先经过保护与滤波单元，完成瞬态脉冲电流抑制、稳压、二次保护、I/V转换等重要功能；前端信号处理单元，完成检流与信号放大功能，采用超低温漂的康铜检流器，结合共模抑制及补偿放大电路和智能滤波软件，完成了前端信号的实时采集与综合滤波处理；阀位反馈部分，主要有霍尔传感器及其放大电路组成，其中，霍尔传感器又分为永久磁钢构件和检测探头2部分，代替了传统的连杆、齿图4 霍尔传感器软件流程图轮组件和电位器，实现了定位器阀位无接触式实时测量；4-20mA位置反馈输出单元，是自主研发的位置反馈装置，拥有实用新型技术专利；I/P(电/气)转换单元，主要完成电 -气输出驱动信号的转换，采用了最新的集成式压电阀，将两支开关阀与部分气动回路集成于-体，结合 PWM控制技术，提高了控制性能；电源单元产生3 V和24 V两组电压源。基于高效电荷泵的DC-DC升压技术和混合调制技术，有效降低了电源电路本身的电能消耗。另外，增加了按键、LCD显示、片外 E ROM等附属单元电路 ，增强了人性化设计 J。

图5 霍尔式智能阀门定位器硬件电路原理图3.2系统软件设计3.2.1 主程序为了降低功耗，主程序设计采用了休眠中断”工作模式。

初始化完成后，主程序便进入超低功耗休眠状态--LPM3。期间，CPU of位置位，CPU停止活动，外围拈和ACLK信号继续工作，MCLK及其锁相环停止工作，DCO的DC发生器关闭。当有中断任务时，譬如周期采样、键盘、通信等，系统被唤醒进入工作状态，完成中断任务后，又进入LPM3休眠状态。

第1期 蔡 明等：线性霍尔传感器技术及其在气动定位控制中的应用 153.2.2 控制程序根据开关式压电阀的工作特点，采用了”五步开关智能控制算法”。即根据偏差及其变化率的大小，将控制过程分为粗调”、细调”、微调”等调节区间，PWM控制相应设置多种调节步长。

例如，在20%≤e≤100%行程区间，PWM输出设置为占空比，以达到快速减小偏差的目的；在5%≤e≤20%行程区间，采用中等占空比的智能控制算法；在接近稳定区间，则采用小占空比的窄脉冲进行微调。另外，为了完成相关辅助功能，还有通信、按键、液晶显示等功能子程序，为降低功耗，多采用中断工作模式。

4 关键与核心技术4.1 特殊材料与工艺磁体材料、磁钢构件结构尺寸和磁体封装工艺等，是线性霍尔传感器设计中的几个重要因素。线性霍尔传感器的研发与设计，采用了特殊材料与工艺，不仅使磁钢构件的磁场分布，满足了设计要求，而且具有较高的测量精度和较强的抗干扰性能。

4.2 低功耗技术针对霍尔芯片的功耗特点，在硬件电路设计中，采取了特殊措施，并在软件编程与之配合，使线性霍尔传感器的平均功耗降低，采用了类似时分复用的编程技术，满足了系统总功耗电流的设计目指标，即i≤3.5 mA。

4.3 基于PWM 的智能控制技术将PWM调制技术与多模智能控制技术相结合，达到了理想的仿人控制效果，系统跟随基本达到：快速、平稳、几乎无超。

5 结束语在低功耗霍尔传感器领域，进行了积极探索，开发成功了低功耗线性位移霍尔传感器。该霍尔传感器，作为-种崭新的无接触式位置反馈传感装置，具有-系列传统连杆式位置反馈系统无法比拟的优越性，譬如无机械耦合、不受振动影响、机械滞后孝阀位检测精度高、结构设计简单可靠、安装简单、运行寿命长等。目前，已经成功应用于气动定位控制系统中。