传感与控制-采用磁平衡霍尔传感器的电磁阀精确控制方法

1、采用磁平衡霍尔传感器的电磁阀精确控制方法摘 要本文提出了一种电磁阀的精确控制方法。这种方法采用了磁平衡式霍尔电流传感器作为电流取样元件，并采用直接电流比较法用于一通用电磁阀测试系统。应用表明，基于以上方法的电磁阀驱动电流发生器具有电流控制精度高、动态响应快、性能稳定等优点，能准确产生各种电流波形，适用于各种快慢开关电磁阀和比例电磁阀的精确控制。1、引 言电磁阀是把电信号转换为直线运动的执行元件。电磁阀作为控制系统的执行元件有多种形式，按其结构来分可分为开关电磁阀和线性电磁阀(比例电磁阀)。其中开关电磁阀又分为普通开关电磁阀和高速开关电磁阀。普通开关电磁阀动作较慢，一般用于液体通路的开关控制，其

2、结构比较简单。高速开关电磁阀可在较高的动作频率下工作，因此它还可以利用高速开关调整液路中液压的大小和流量，实现更多的控制功能，这种电磁阀的结构比较精密。线性电磁阀可以对阀的开度进行线性控制，结构相对简单。为了能对电磁阀实现精确控制，需要对电磁阀施加一大小可调的驱动电流信号。特别地，对于高速电磁阀和线性电磁阀来说，还需要驱动电流发生器具有动态特性好、精度高、输出电流线性可调等特性。普通的PWM控制方法根据负载的直流平均值的变化来改变斩波的占空比，时间延迟大；不能满足电感环境下电流动态变化的速度要求，跟踪误差大。为了提高响应速度和控制精度，可以利用磁平衡式霍尔传感器精确地获取待测电磁阀的瞬间电流值

3、，采用直接电流比较方式，控制电磁阀线圈电流的积分方向，从而最大限度地提高电流跟踪速度和跟踪精度。2、磁平衡式霍尔传感器原理21、霍尔传感器测电流的原理图1 霍尔器件的工作原理（略）如图1所示，将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与控制电流方向正交，则在与磁场和控制电流两者垂直的方向上将会出现横向电动势。这一现象称为霍尔效应。霍尔电势Vn可用下式表示U=I*B*K式中K 霍尔元件灵敏度I 控制电流B 磁感应强度利用霍尔元件可以进行非接触式电流测量。当电流通过一长直导线时，导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比。这一磁场可以通过软磁材料聚集，然后用霍尔元件进行检测。由于磁场与霍尔元件的输

4、出呈线性关系，因此可利用霍尔元件测得的信号大小，来反映被测电流的大小。这种测电流的方法称为直检法。图2 磁平衡式霍尔电流传感器原理（略）22、磁平衡式霍尔传感器原理磁平衡式电流检测法与直检法不同。磁平衡式霍尔电流与传感器是由聚磁环、霍尔元件、一次线圈(一般为一匝，即穿过聚磁环的被测导线)、二次线圈、放大电路等组成，如图2所示。IP为一次线圈电流，IN为二次线圈电流，霍尔元件置于聚磁铁芯的气隙中，用于检测聚磁环中的磁场大小。当被测导线的电流产生的磁场导致聚磁环中的霍尔元件产生霍尔电势时，霍尔电势使得电子放大器调整输出电流IN。电流IN使二次线圈产生的磁场抵消一次线圈电流IP产生的磁场，直至霍尔电

5、势为零，从而达到磁路平衡，霍尔元件又工作在零磁通状态。此时有IN*N1=IP*I2式中 I1，I2是一次线圈，二次线圈的匝数若在二次线圈输出回路中加测量电阻RL，则V0=RL*I2=RL*IN*N1/N2 .(3)从上式可以看出，测量电阻RL上的电压V0与一次线圈的被测电流IN是成线性关系的。23、测量电阻的选取从式(3)可知，调整测量电阻R 的取值，就能得到所需比例的输出信号。但需注意，R 的取值是有限制的。从图2可以看出，在输出回路中，除了测量电阻R 以外，还有电子放大器输出级的射极跟随管和二次线圈，因此有下式成立（略）传感器供电电压，一般为12V24V，电子放大器输出管压降，饱和值为15

6、2V，二次线圈压降。若二次线圈内阻为RSNPIP=NSIS； 计算原边或副边电流VM=RMI； 计算测量电压VS=RSIS； 计算副边电压 VA=e+VS+VM； 计算供电电压 24、磁平衡式霍尔传感器的特点(1)精度高、线性度好。由于霍尔器件只工作在检零状态下，因此其非线性误差及温漂等误差因素不会对测量结果造成影响。霍尔器件的残余电位和电子放大器的输入失调电压可通过设置电位器预先校零来补偿。霍尔传感器的测量精度仅取决于残余电位和输入失调的漂移，因此磁平衡式霍尔传感器的静态精度一般可达到005-1左右。(2)动态响应特性好。一般响应时间可达1s左右。频率响应在0100kHz范围内误差可达1。可

7、以测量包括直流、交流、脉冲波形等任意波形的电流信号。由于传感器工作在零磁通状态下，不受磁饱和的影响，可以忠实地反映各种原边电流的波形。(3)一次线圈与二次线圈电气隔离。聚磁环和霍尔元件可安装在阻燃自熄的塑料压注成形的壳体中，并用硅橡胶浇注密封，从而使传感器具有很高的电隔离性能和防振动冲击能力。(4)过载能力强。当一次线圈电流过载(即聚磁环磁场无法抵消)时，不会损坏测量电路。但应注意的是：若聚磁铁芯被磁化而产生剩磁，其剩磁会在二次线圈中感应出一永久的失调电流，从而影响测量精度。传感器在使用时应首先接通电源和负载电阻，不能在二次线圈电路没有接通电源或开路时，在一次线圈中通过电流。若发生聚磁铁芯磁化

8、现象，要先进行退磁处理。其方法是在二次线圈电路不加电时，只在一次线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小到零，即可退磁。(5)磁平衡式霍尔传感器在大多数应用场合都具有很强的抗外磁场干扰的能力。一般在距离传感器510cm范围内存在一个两倍于工作电流I 的电流所产生的磁场是可以忽略的。但当有更强的磁场干扰时，就要采取适当的措施来解决。通常的方法有：(1)调整传感器方向，使外磁场对传感器的影响最小；(2)在传感器上加罩一个铁磁性材料的金属屏蔽罩。3 电磁阀驱动电流发生器原理图3所示（略）为一个通用电磁阀测试系统的电流发生器原理简图。该电磁阀测试系统用于测试各种电磁阀的静态性能和动态性能。系统需要在

9、待测电磁阀施加具一定波形要求的电流驱动信号。其驱动电流由-24V开关电源通过场效应管VT 斩波实现。通过调整VT 的占空比可实现所需的电流值。由于负载是电感器件，在加电的过程中，其反电势随时间不断变化，因而VT 的通断占空比需适时调整。这里采用磁平衡式霍尔传感器可精确地获取待测电磁阀的瞬间电流值，经精密取样电阻RL转换成相应电压信号后送至电压比较器D 与设定值Vn比较。若电磁阀的电流小于设定值，则开启场效应管VT ，线圈电流正向积分；反之则关断VT ，线圈电流反向积分。这样，最终使电磁阀的平均电流与设定值相等。实验表明，稳态时电流平均值的误差小于05。电流传感器1的动态附加误差是由1 s的响应

10、延迟时间造成的，并不影响电磁阀的稳态电流精度，而只影响纹波的幅值。而对于感性负载来说，纹波是易于抑制的。对于电磁阀的控制来说，这种高频小幅纹波对电磁阀的机械动作并不造成影响。此外，电路中增加了与电磁阀线圈L饱和时纹波急剧增大的问题。此外，图3中D 的作用是抑制干扰。场效应管在关断时的瞬间，由于承担电磁阀续流作用的快恢复二极管VT 还未导通，这时电磁阀线圈电感L出现反电势尖峰电压。这一电压使线圈电感h与快恢复二极管VT 的寄生结电容组成的二阶系统产生振荡。实验观察这一电流振荡在051Ls内逐渐消失趋于稳态。这一振荡信号被电流传感器送至反馈回路，从而导致VT 在关断过程中出现多次振荡，导致VT 温度升高，且增加电磁干扰。图3所示电路中D 的作用就是消除这一过渡过程干扰的单稳滤波电路。其原理可简述如下：集电极开路输出的D与D在A点“线与”。当A点出现下降沿使VT 关断时，D 的同相输入端被电容C 拉低，其电位将低于反相输入端电压，这It,-jD 输出为低，使VT 可靠关断。由于外围电路的充放电作用，这一保护状态在2-31Ls后解除，电路重新回到电流比较模式。加上这一电路后，整个电路工作稳定性得到明显改善。4 结束语在通用电磁阀测试系统中的应用表明，采用磁平衡式霍尔电流传感器作为电流取样元件具有电流控制精度高、动态响应