Датчики частоты вращения двигателя используются в системах управления двигателем для:

  • измерения числа оборотов двигателя
  • определения положения коленчатого вала (положение поршня двигателя)

Число оборотов рассчитывается по интервалу между сигналами датчика скорости вращения.

Индуктивные датчики скорости вращения

Электродвигатель с датчиком оборотов

Рис. Индуктивный датчик скорости вращения (конструкция):

  1. Постоянный магнит
  2. Корпус датчика
  3. Корпус двигателя
  4. Полюсный контактный штифт
  5. Обмотка
  6. Воздушный зазор
  7. Зубчатое колесо с точкой отсчета

Конструкция и принцип действия Датчик монтируется прямо напротив ферромагнитного зубчатого колеса (поз. 7) с определенным воздушным зазором. Он имеет сердечник из магнитомягкой стали (полюсный контактный штифт, поз. 4) с обмоткой (5). Полюсный контактный штифт соединен с постоянным магнитом (1). Магнитное поле распространяется через полюсный контактный штифт, проходя в зубчатое колесо. Магнитный поток, проходящий через катушку, зависит от того, попадает ли расположение датчика напротив впадины или зуба колеса. Зубец соединяет в пучок магнитный поток рассеяния, исходящий от магнита. Через катушку происходит усиление сетевого потока. Впадина, наоборот, ослабляет магнитный поток. Эти изменения магнитного потока при вращении зубчатого колеса индуцируют в катушке синусоидальное выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения и числу оборотов двигателя. Амплитуда переменного напряжения интенсивно возрастает с увеличением числа оборотов (несколько мВ… > 100 В). Достаточная амплитуда присутствует, начиная с минимального числа оборотов от 30 в минуту.

Электродвигатель с датчиком оборотов

Рис. Сигнал индуктивного датчика скорости вращения двигателя:

Активные датчики скорости вращения

Активные датчики скорости вращения работают по магнитостатическому принципу. Амплитуда выходного сигнала не зависит от числа оборотов. Благодаря этому можно измерять скорость вращения и при очень низком числе оборотов (квазистатическое определение числа оборотов).

Дифференциальный датчик Холла

На проводящей ток пластинке, по которой вертикально проходит магнитная индукция В, поперечно к направлению тока можно снимать напряжение UH (напряжение Холла), пропорциональное направлению тока.

Электродвигатель с датчиком оборотов

Рис. Принцип работы дифференциального датчика Холла:

  • а Расположение датчика
  • b Сигнал датчика Холла
  • большая амплитуда при маленьком воздушном зазоре
  • маленькая амплитуда при большом воздушном зазоре
  • с Выходной сигнал
  1. Магнит
  2. Датчик Холла 1
  3. Датчик Холла 2
  4. Зубчатое колесо

В дифференциальном датчике Холла магнитное поле вырабатывается постоянным магнитом (поз. 1). Между магнитом и импульсным кольцом (4) находятся два сенсорных элемента Холла (2 и 3). Магнитный поток, который проходит сквозь них, зависит от того, находится ли датчик скорости вращения напротив зубца или паза. Благодаря созданию разности сигналов от обоих датчиков достигается снижение магнитных сигналов возмущения и улучшенное соотношение сигнала/ шума. Боковые поверхности сигнала датчика могут обрабатываться без оцифровывания непосредственно в блоке управления.

Вместо ферромагнитного зубчатого колеса используются также многополюсные колеса. Здесь на немагнитном металлическом носителе установлен намагничивающийся пластик, который попеременно намагничивается. Эти северные и южные полюсы принимают на себя функцию зубцов колеса.

AMR-датчики

Электродвигатель с датчиком оборотов

Рис. Принцип определения числа оборотов с помощью датчика AMP:

  • а Размещение
  • в различные моменты времени
  • b Сигнал датчика AMP
  • с Выходной сигнал
  1. Импульсное (активное) колесо
  2. Сенсорный элемент
  3. Магнит

Электрическое сопротивление магнито-резистивного материала (AMP, анизотропный магниторезистивный) является анизотропным. Это означает, что оно зависит от направления магнитного поля, которое на него воздействует. Это свойство используется в AMP-датчике. Датчик находится между магнитом и импульсным кольцом. Линии поля изменяют свое направление, когда вращается импульсное (активное) колесо. В результате формируется синусоидальное напряжение, которое усиливается в схеме обработки данных и преобразуется в сигнал прямоугольной формы.

GMR-датчики

Усовершенствование активных датчиков скорости вращения отражено в использовании технологии GMR (ГМР) (Giant Magneto-Resistance). По причине высокой чувствительности по сравнению с датчиками AMP здесь возможны большие воздушные зазоры, за счет чего предполагаются использования в трудных сферах применения. Более высокая чувствительность производит меньше шумов фронта сигнала.

В ГМР-датчиках возможны также все двухпроводные порты, используемые ранее в датчиках скорости вращения Холла.

Понадобилось на работе контролировать обороты двигателя. Решили использовать датчик Холла. На муфту установленную на валу двигателя приклеили пару неодимовых магнитов. Для датчика Холла сделали схему на компараторе, чтобы фиксировать моменты прохождения магнита напротив датчика. Схема приведена на рис.1

Электродвигатель с датчиком оборотов
Рис. 1 Принципиальная схема тахометра

Описание работы

Датчик Холла AHSS49 на каждый проход магнита, закрепленного на валу двигателя формирует импульс амплитудой около 1 вольта, со смещением относительно земляной шины на +2,5 В.

Полученный сигнал поступает на вход компаратора IC1 LM311, который формирует управляющие импульсы для выходной опто-развязки OC1 PC817, выход которой присоединяется ко входу контроллера, подтянутому через сопротивление 1-2 кОм к питанию контроллера. В промышленных контроллерах, такие резисторы предустановлены и требуется только конфигурирование входных цепей. Порог срабатывания компаратора IC1 настроен на напряжение 2,6 В. Настраивая компаратор на более высокое напряжение можно получить более узкие импульсы на выходе — это связано с тем, что импульсы на выходе датчика Холла имеют форму близкую к треугольной.

Конденсаторы С1, С2 предназначены для снижения импульсных помех и исключения ложных срабатываний компаратора.

Схема была смакетирована на самодельной монтажной плате см. рис.2 Для публикации была подготовлена разводка печатной платы см. Приложения к статье.

Электродвигатель с датчиком оборотов
Рис.2 Макет схемы усиления сигнала датчика Холла

Установка датчика около муфты вала двигателя см.рис.3 Датчик Холла был установлен таким образом, чтоб при прохождении магнитов установленных на муфте они оказывались на расстоянии пимерно 5 мм напротив датчика Холла. При установке на валу двух магнитов результирующая частота на выходе платы удваивается. При установке 4 магнитов возрастает в 4 раза. Большее число магнитов устанавливается для подсчета частоты вращения низко-оборотных двигателей. Соответственно, при измерении частоты вращения двигателя результат делится на число магнитов установленных на валу двигателя.

Электродвигатель с датчиком оборотов
Рис.3 Установка датчика на кронштейне вблизи муфты на валу двигателя

Выход тахометра может быть организован несколькими способами в зависимости от решаемых задач

Схема приведенная на рис. 1 при работе с промышленными контроллерами может не дать устойчивого срабатывания на каждый импульс поскольку 2 p-n перехода опто-развязки PC817 при полном открытии будут давать падение напряжения около 1 В. И , в этом случае, дискретные входы пром.контроллера выполненные на КМОП микросхемах будут срабатывать неустойчиво, в этом случае имеет смысл реализовать схему выхода на полевом N-канальном транзисторе. Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе приведен на рис.4 . Для управления полевым транзистором пришлось задействовать дополнительный вход контроллера (клемма Х1). В случае если входов контроллера для этого не хватает, можно использовать дополнительный источник питания + 5В, подключив его к клемме Х1. Рабочий вход (клемма Х2) замыкается полевым транзистором и сформированные импульсы поступают на вход контроллера Х2.

Электродвигатель с датчиком оборотов
Рис.4 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе с дополнительной гальванической развязкой

Если дополнительная гальваническая развязка выхода не нужна, можно использовать схему рис.5

Электродвигатель с датчиком оборотов
Рис.5 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе без дополнительной опторазвязки

Электродвигатель с датчиком оборотов

Рис. 6 Осциллограмма выходного сигнала для варианта схемы см. рис. 4

Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов

Для работы индикатора применяется простая и удобная библиотека SevSeg, позволяющая подключать индикатор к каким угодно выводам МК, применять индикаторы как с общим катодом, так и анодом да еще и яркостью управлять.
Для измерения частоты попробовал библиотеку FreqMeasur. МК с ней отлично мерит сигнал с генератора от 10 до 200Гц (а больше мне и не нужно)
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов

А вот когда на вход контроллера подал с сигнал с сенсора, результат получился плачевным.
Частота прыгала как ненормальная. Виной этому оказался «дребезг» сигнала с оптического датчика. Фольга давала массу помех. Попытка настроить сигнал подстроечником или заменить кусочек фольки на другой не дали ощутимого результата.
Тогда я решил давить «дребезг» программно. Осциллограф показал, что помехами являются импульсы в 0.3 — 1 мкс, тогда как сигнал — это импульсы 5мс (При частоте 12000RPM) и больше.

Программа показала 100% результат с тестового генератора. При включенном моторе с сенсора показывались стабильные обороты, которые хорошо коррелировали с режимом работы мотора. На том и остановимчя
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов

Еще одна проблема нартсовалась при выборе места установки счетчика на станок.
В длинных проводах наводились сильные помехи от мотора и БП и индикатор, отлично работавший «на коленках» никак не хотел работать на станке. В результате смонтировал контроллер в непосредственной близости от сенсора и запитал его через импульсный DC-DC преобразователь от 24В. (Напряжения для шаговиков, подсветки, вентиляторов охлаждения).
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов
Электродвигатель с датчиком оборотов

Так мой новый станочек обзавелся счетчиком оборотов шпинделя. индикаторы К слову, данный измеритель должен практически без изменения схемы и программы заработать и с «кошерным» датчиком холла и магнитиком на валу.

Пока собирал станок, приехали 5-ти разрядные индикаторы. Хотел переделать измеритель скорости вращения на них с более компактным Atmega8 в TQFP32. Но потом решил, что лучшее — враг хорошего.

Следующий обзор я посвящу контроллеру станка, его доработке и настройке.
Весь мой путь от старого к новому станку есть в моем блоге.