磁敏传感器与闭环控制特性研究实验仪的研制

摘 要 介绍了新一代磁敏传感器综合实验仪的设计意义、实验内容、创新特点。重点通过PLC与触摸屏结合，实现闭环控制的实验演示。同时将传感器与自动化基础实验有机融合，为理工科实验教学提供良好的实验平台。

【关键词】传感器 闭环控制 实验仪

1 引言

随着工业自动化技术的飞速发展，精密控制的社会需求越来越广泛。以工控机、可编程控制器（PLC）和微处理器（Micro-computer，MCU）为代表的计算机智能控制技术向着精密、可靠、准确，特别是闭环控制的方向发展。工业动力源主要是以电机转动的方式驱动负载。实现对电动机的准确检测和精密控制彰显其重要地位。对电机运动状态描述分为开环检测和闭环控制。

开环检测主要依靠传感器、检测仪表、检测系统对电机的各项技术参数指标进行在线实时的监测与记录。

闭环控制主要依据传感器、智能控制单元通过程序实现预期或预设运行状态实时控制。一般可分成三种：

速度闭环，如：纺织机械纺线速度控制，数控机床稳速控制、离心机恒速转动；

位置闭环，如：电梯升降位置、机床进刀位置、云台精密位置跟踪；

功率闭环，如：轧钢机械、起重机、煤矿机械、石油钻井设备等重载控制。

要实现精密控制，选用高品质传感器是先决条件。磁敏传感器是近年来高速发展并迅速实现产业化的新兴技术领域。对于转速、旋转位置、功率测量均有多种不同原理的系列传感器开发成功并在数十个技术领域得到广泛应用。比如角度传感器、磁编码器、齿轮测速传感器、电流传感器等。

闭环控制在自动控制中的地位十分重要，但是在目前的高等院校的教学过程与教学环节上，仅仅停留在课堂讲授教学上，没有实验仪器可以对各种闭环控制进行动手实验和操作实践的教学仪器。本项研究在基于多种磁敏传感器的基础上，采用PLC和触摸屏实现对磁敏传感器性能和不同闭环控制特性进行研究，为高等院校物理教学、电子电工教学、自动化技术、机电一体化、工程设计等众多学科提供全新教学内容的教学实验仪器或演示实验仪。对于推动高等院校教学内容与当代科技前沿技术紧密结合，增强课堂教学知识理论与实验的结合、实现学科交叉创新进行了有益的尝试。

2 实验仪功能与实验原理

新一代磁敏传感器综合实验仪便是基于此教学需要所设计的，是一套基于PLC和触摸屏，以电机闭环控制实验和磁敏传感器测量为主体的实验仪器。本实验仪设计新颖，涉及直流电机特性、磁敏传感器原理、信号转换与处理、传感器性能测试和评估、现代开环检测和闭环控制原理、西门子PLC技术等多交叉学科知识点，易于学生对所学各专业知识进行综合运用，为创新型教学奠定基础。

在新一代的磁敏传感器综合实验仪中，主要为两方面的实验系统。一个是磁敏传感器实验，另一个是对于电机控制而言电机特性的实验。功能框图如图1。

2.1 磁敏传感器基础特性实验

2.1.1 角度检测、倾斜角检测实验

角度检测系统由磁敏角度传感器与磁敏倾斜角传感器，以及分度值为1’的标定盘和前面板显示仪表组成。角度传感器安装在标定盘的后侧，与其同轴连接，检测标定盘内外盘的相对转角。倾斜角传感器安装在标定盘的前侧，用来检测倾斜角度。角度标定盘的内盘和外盘可相对转动，相应的角度量由两盘边缘的刻度盘读出。角度传感器和倾斜角传感器输出4-20mA电流信号，经由电路转换为0-10V电压信号接入PLC，由PLC信号处理后在触摸屏上显示角度和倾斜角实验数值。可利用两种传感器同时测量，同时研究两种传感器的使用特性。

2.1.2 位移检测系统实验

位移检测系统由磁敏位移传感器和螺旋微位移尺组成。位移传感器量程为cm级。螺旋位移尺的顶头与位移传感器的滑动顶头对顶共线安装， 当旋动螺旋位移尺的旋头，其尺头顶着传感器的滑动杆共同滑动，带动位移传感器的磁铁发生直线位移，磁敏元件感受磁场变化输出电压信号。同样由PLC接收电信号，进行处理并在触摸屏上显示出来。传感器输入位移由螺旋千分尺刻度读出，精度为0.01mm。

2.2 磁敏传感器电机实验

在磁敏传感器电机实验中，分为电机速度开环检测，以及速度、位移和功率闭环控制实验。硬件上主要由PLC西门子s7-200、触摸屏、直流无刷电机、电机驱动电路、磁敏编码器、电流传感器、齿轮和皮带组成。软件部分用由西门子公司研发的step7编程软件编写的PID控制及信号处理程序实现。原理图如图2所示。

2.2.1 速度闭环实验

在触摸屏上选择速度闭环控制实验。给定电机预定转速值，电机实时速度值由磁编码器进行检测，磁编码器信号由PLC进行采集并经过相关处理，比较实时转速与预设转速的差异，经过PID算法，发出控制信号调整电机工作电压信号，使转速达到预设值，从而实现电机的速度闭环控制。

设计中，设置PWM波的周期和脉宽的增量单位为微秒（us），为了增大可调范围，设周期值为最大值65535us（即PWM波的频率约为15.26Hz），对于PWM波的宽度（即占空比）的调节（即对电动机转速的调节）是通过特殊存储器的SMW28来实现的，SMW28中的数字分别对应于模拟电位器0和模拟电位器1动触点的位置（只读），在STOP/RUN方式下，每次扫描时更新该值。这种周期时间保持常数变化脉冲宽度的PWM操作称为PWM的同步更新，波形特性的变化发生在周期边沿，这样可为每一个PWM波提供平滑过渡。

2.2.2 位移闭环实验

在触摸屏上可选择位置闭环控制实验模式。给定预设位移量，PLC接收到位移量，计算出输出PWM脉冲数，控制电机运转位移量。其中同样是以高精度磁敏编码器作为检测电机的输出转速反馈。演示实验可由皮带传动装置进行演示。重点在于理论上位置准确测量有赖于电机运转的加速度、平稳运行时间、减速度及其控制，最终实现位置的准确测量。

2.2.3 电流闭环实验

电流传感器采用霍尔开环和闭环电流检测原理，采集电机工作电流，并输出电压信号。电机工作时，PLC采集电流传感器输出信号，结合速度控制，从而检测负载不同对电机运行状态的闭环控制效果。教学与演示的重点在于，在带负载的情况下要保持电机转动的恒速性，需要对电机的通电电流大小进行测量，反馈控制对电机的电源或动力增补，达到稳速运转。

3 实验仪器硬件概述

本实验仪设计中，硬件部分的选择主要考虑的是控制器部分与电机驱动电路部分。前者决定着整个系统的功能、精度。后者是电机闭环控制的前提保障。另外，本实验仪系统中显示与操作系统采用的是触摸屏，在设计上大大简化了之前的显示仪表及控制开关。由之前的数字仪表、液晶屏显示、键盘输入统一集成到了触摸屏上，可以在触摸屏上进行读取实验结果或开关控制。

3.1 微处理器模块

控制器是整个微电机性能测试系统实验装置控制电路中最核心的部分。所以为了达到预期的目的一定选择要选择合适的控制器，在选择控制器时，主要从以下几方面进行的考虑：

（1）由于要处理较多的数字信号，所以选用具有IO口较多的控制器；

（2）由于采用PWM方式驱动电机，所以选用具有内置PWM发生器的控制器；

（3）由于电机的反馈通道较多，且考虑用定时方式进行采样，并且要用计数器采集编码器的脉冲数，所以要求具有多个定时/计数器的控制器。

（4）选用具有PID控制模块的控制器；

（5）由于考虑到后期与触摸屏进行连接通信，考虑使用可方便控制触摸屏的控制器。

经过以上及一些其他因素的考虑，最终选择了西门子公司生产的S7-200系列PLC中的224xp系列作为此微电机性能测试系统实验装置的控制器。

3.2 电机驱动电路

此微电机性能测试系统装置采用PWM方式控制电机，而西门子s7-200本身具有PWM输出通道，所以要选择一种用于运动控制的PWM为输入信号的H桥组件，并且由于电机旋转难免遇到电流冲击的现象，所以要选择一种峰值电流较高又有过热和过流保护的驱动芯片。这样选择了LMD18200。

LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于运动控制的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件， 峰值输出电流高达6A， 连续输出电流达3A， 工作电压高达55V，具有温度报警和过热与短路保护功能，而且具有良好的抗干扰性[4]。

3.3 触摸屏

在本实验仪中，创新性地引入了触摸屏，作为系统的操作与显示界面，选用的是便于与西门子s7-200通信的触摸屏组件，其采用的是7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），供电电源为24V，可与西门子s7-200同源供电。

触摸屏优化如下：

在触摸屏上可实时读取实验数据（表盘格式和数字显示），并可以记录历史记录、绘制实验数据历史曲线图。方便操作者记录、分析比对数据，更好的观测分析传感器和电机特性。

大部分按键输入开关可集成在触摸屏内，结合PLC编程来替代实现。

显示、控制界面的相互切换，从而优化了磁敏传感器综合实验仪的整体设计构造。使得实验平台更加简洁方便。

4 结束语

磁敏传感器综合实验仪是将现代科学研究的前沿技术向基础教学的转化，内容上综合了多种交叉学科知识扩展点。将传感器检测技术与自动化基础实验有机融合为一体，形成综合性较强的实验平台。对物理类、自动化类、检测类、机电一体化等各种工科专业系列课的学习提供了良好的实验平台。

参考文献

[1]高翠翠，田跃，黄筱玲，et al.磁敏传感器综合实验仪[J].物理实验，2008（03）.

[2]朱新宇.电子设计自动化实验系统的开发与应用 （硕士）[D].北京邮电大学，2012.

[3]吴国中，邓嘉，朱旭平.西门子PLC对步进电动机的控制[J].自动化技术与应用，2006（09）.

[4]王翔.S7-200 PLC在数字伺服电机控制中的应用[J].自动化技术与应用，2006（06）.

作者简介

安星硕（1988-）男，山东淄博人，北京科技大学数理学院物理系硕士研究生，研究方向为磁敏传感器、自动化控制。

指导老师

田跃（1956-）男，北京人，北京科技大学数理学院物理系教授，研究方向为物理电子学、传感器技术。

作者单位

北京科技大学 北京天海科科技发展有限公司 北京市 100083