新型霍尔式智能阀门定位器原理与设计

　　目前，智能阀门定位器的位置反馈机构，多采用机械结构，存在磨损大、精度低、寿命短等缺点。基于霍尔传感器技术和新型压电阀控制技术，研制了一款国产新型霍尔式智能阀门定位器，实现了无接触精确测量。同时，该产品具有无机械磨损、滞后小、结构简单可靠、运行寿命长、精度高等诸多优点。设计中，研制了线性位移霍尔传感器，硬件电路中应用了超低功耗技术，控制算法中应用了模糊控制等智能控制技术。产品定位精度等性能得到了显著提升，其中，线性霍尔传感器设计及其低功耗应用技术，属于国内首创，产品整体水平具有行业领先优势。

　　由于气动系统具有结构简单、性价比高、绿色环保、安全可靠、抗高频干扰、过载能力强等诸多优点，因而在工业过程控制领域，得到了广泛应用。但是，在传统的气动设备的位移检测中，譬如阀位变动器、气动定位控制器等，常用各种机械传动机构和接触式电位器作为传感器，所以往往出现磨损、氧化、老化、机械滞后等不良现象，严重影响测量和控制精度。而霍尔传感器，作为一种无接触、线性、高精度传感器，则可以极大地弥补了传统位移检测传感器的不足。近年来，集成有霍尔元件和微处理芯片的低功耗霍尔传感芯片，已经开始应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。基于线性霍尔传感器技术，北控集团所属北京京仪集团公司，研制并推出了一款全新的霍尔式智能气动定位控制器。与传统非霍尔式智能阀门定位器相比，具有无接触、无机械磨损、长寿命、高精度等一系列优点。

1、霍尔效应与线性霍尔传感器设计

　　1.1、霍尔效应与霍尔传感器基本原理

　　置于磁场中的载流体(一般多用半导体材料)，其若与磁场垂直放置，当通以电流时，在与磁场和电流垂直的方向上，由于电荷因受到洛仑磁力的作用而发生偏转，形成电荷聚积，产生霍尔电势，这便是霍尔效应。霍尔传感器便是基于霍尔效应的一种新型磁通强度传感器，当用于测量磁场中物体位移时，又称霍尔位移传感器，一般分为角位移和线性位移霍尔传感器，通过检测永磁磁场中，不同位置处的磁通量的变化，来探测物体的位移量。

　　霍尔线性位移传感器测量原理如下：两块NS磁极倒置、且相对平行放置的条形磁钢，和一个霍尔探头共同组成了一个位移测量系统，其磁场场强仿真曲线如图1所示。其中，矢量箭头表示磁力线的大小及方向;磁场中的圆形物体，表示霍尔传感器探头，磁力线垂直穿越霍尔探头。当探头上电后，由于霍尔效应的存在，便会输出霍尔电压。霍尔电压与电流、磁场强度和霍尔系数的关系如下：

图1 磁场场强仿真曲线图

　　其中：Rh为霍尔系数；IS为电流强度；B为磁场场强；d为磁钢间距。当Rh、IS和d三个参数固定或保持恒定时，霍尔电压便与磁场强度的大小成正比关系，这便是线性霍尔传感器的测量原理。

　　1.2、线性霍尔传感器设计与实现

　　1.2.1、结构设计

　　图2是线性位移霍尔传感器的结构图。磁钢材料的选择与结构设计，是该部分的重点内容。其中，磁钢选材要求：①磁一致性好，磁性均匀；②结晶体结构致密，强度高，抗腐蚀性很强；③磁钢的磁性容易控制；④温度特性良好。综合考虑，铝镍钴磁钢符合要求。

图2 线性位移霍尔传感器结构图

　　同时，导磁钢片，也是传感器磁路的重要环节，导磁材料的磁阻必须要小，选用具有特殊掺杂的铁镍合金。另外，磁钢物理尺寸和磁体封装工艺等，也是线性霍尔传感器设计中的重要因素。设计中，构建了封闭性磁体结构，并用特殊材料对磁体外部及特殊部位进行了磁屏蔽封装。在进行定位器设计时，将霍尔传感器的探头与定位器固定在一起，并保持静止不动;经过特殊工艺加工处理后的永久磁钢与气动阀的阀杆，用特殊工装和螺栓固定在一起，并随着阀杆的运动而同步移动。磁钢结构与阀杆的连接要牢固，并尽量贴近阀杆部位，防止气动执行机构在高速调节时引发霍尔传感器发生颤振，影响定位功能。实践证明，该设计结构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。

　　1.2.2、时序控制与低功耗设计

　　本设计中采用了一款低功耗线性霍尔元件芯片，其主要特性如下：它的工作电压为2.4V～3.5V，典型工作电流和功耗分别为3.2mA和10mW;在非工作状态下功耗电流小于25μA。磁场的磁通量为零时，传感器输出电压是参考电压的一半，最大饱和磁通所对应的最大输出电压为电源电压;在非饱和状态下，磁场中的磁通量每变化10-4T，传感器输出电压变化不小于2mV，且两者成线性关系。该芯片有一个重要的控制端，通过时序调节与软件控制，可以使霍尔元件进入不同工作状态，极大地降低元件平均工作电流，从而满足系统低功耗需要。检测表明，采取综合措施后，霍尔芯片平均功耗电流不超过100μA。

2、霍尔式智能阀门定位器原理与设计

　　2.1、系统结构设计

　　霍尔式智能阀门定位器系统结构，如图3所示，共由八个部分组成：①前端信号处理；②电源(包括I/V变换、电压变换和升压电路)；③输入-输出-人机部分；④位置反馈输出(包括4～20mA/HART接口、专用通信模块)；⑤输出驱动电路与集成式压电阀；⑥霍尔传感器；⑦位置检测放大部分；⑧CPU最小应用系统等。其中，霍尔传感器结构设计是系统结构设计的重点与核心。

图3 霍尔式智能阀门定位器系统结构图

　　2.2、硬件电路设计

　　图4是霍尔式智能阀门定位器硬件原理框图，上面的虚线框图内是定位器主控电路板部分。下面两个小型虚线框图是具有标准接口的插接件电路板。各部分主要组成及其工作原理如下：

　　①来自上级控制系统的电流信号，首先经过保护与滤波电路。该部分主要由低通滤波器、TVS管、开关管、稳压管等元器件组成，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;②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[4];③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两部分，代替了传统的连杆、齿轮组件和旋转式电位器，实现了定位器阀位无接触式实时测量;④位置反馈输出单元，拥有实用新型技术专利，在主控电路板留有标准插接口，并将(4～20)mA和HART输出电路做成统一尺寸的插接件电路板，根据用户不同需求，灵活配置;⑤I/P(电/气)转换单元，主要完成电-气输出驱动信号的转换，采用了世界最新的集成式压电阀，将两只开关阀与部分气动回路集成于一体，结合PWM控制技术，提高了控制性能;⑥电源单元是主控电路板的核心电路之一，用以产生3V、5V、24V等数组电压，应用基于高效电荷泵的DC-DC升压技术和幅频混合调制技术，有效降低了电源电路本身的电能消耗。

图4 霍尔式智能阀门定位器硬件电路原理图

　　另外，增加了按键、LCD显示、片外E2ROM等附属单元电路，增强了人性化设计。

　　2.3、系统软件设计

　　2.3.1、主程序

　　充分利用MSP430F4XX硬件资源，主程序设计采用了超低功耗，即“休眠+中断”工作模式，如图5、图6所示。初始化完成后，主程序便进入超低功耗休眠状态——LPM3。期间，CPUoff位置位，CPU停止活动，外围模块和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，又自动进入LPM3休眠状态。该中断工作模式，可以大大降低系统功耗，统计表明，该模式降低功耗10%以上。

图5 主程序流程图

图6 中断任务流程图

　　2.3.2、基于PWM模式的智能控制算法

　　(1)PWM控制

　　PWM控制在非线性系统控制中具有独特优势：①克服非线性因素的影响：PWM调制方式，可以将幅值连续变化的信号转变为等幅值、占空比变化的时域信号，因此可以忽略信号传输非灵敏区的影响，在伺服控制中，有效解决非线性系统存在的问题，譬如不灵敏区、低速爬行等。②降低功耗：在PWM控制模式时，驱动晶体管一般工作在开关状态下，当晶体管截止时，虽然电压较大，但是电流接近于零;当晶体管饱和导通时，虽然电流较大，但是饱和导通电压很低，所以功耗依然较低。因此，在电流型驱动系统中，与其他控制方式相比，PWM控制方式可以有效降低系统驱动功耗。③增加系统响应速度。

　　(2)模糊+积分控制算法

　　经典模糊控制实质是PD控制，虽然在非线性控制中具有独特优势，但是一般存在偏差。为了提高定位精度，对传统模糊控制进行了改进，采用了模糊+积分控制算法等，其软件流程如图7所示。

图7 一种改进的模糊控制流程图

3、结语

　　目前，已经完成霍尔式定位器样机。与传统连杆式阀门定位器相比较，霍尔式智能阀门定位器具有许多显著的优点。在霍尔传感器低功耗应用方面，拥有独特的核心技术，其无接触高精度测量技术，在智能阀门定位器和线性位移测量中，均具有国内领先水平。霍尔式智能阀门定位器的研制，开创了无接触、无磨损、高精度、高寿命智能阀门定位器的崭新篇章，同时，也为阀位测量提供了新的方 法，为推动和发展国产新型智能阀门定位器产业做出了积极努力。