一种霍尔效应齿轮齿转速传感器的制作方法

本实用新型涉及霍尔传感器技术领域，尤其涉及一种霍尔效应齿轮齿转速传感器。

背景技术：

在控制系统、电机驱动、电机转速测量和包含有转动部分的工业系统中，转速测量是十分重要的。为了测量转速，通常使用两种技术：光学测量和磁场测量。由于霍尔效应传感器具有低成本、较宽的工作温度范围和较大的速度测量范围等优点，被广泛的应用在齿轮齿的转速测量中。

使用新型霍尔效应齿轮齿转速传感器(以下简称新型转速传感器)测量的结果，与使用其它三种现在市场上产自Honeywell公司、Cherry Americas公司和Littelfuse公司的类似传感器测量的结果相比，具有以下特点：

具有很好的一致性；

感应间距更大。相对其它三种传感器而言，新型转速传感器可以在更大的感应间距范围内工作；

更大的电机转速测量范围。如果其他三种传感器的感应间距增大，而其能够测量的最大转速通常为大约10000 RPM，新型转速传感器在较大的感应间距范围内，可以测量的最大转速为14000 RPM；

而且，我们正在继续的研发证明，在较小的感应间隔时，新型转速传感器可以测量高达 100000 RPM的电机转速–这也是目前在该类传感器报道中未曾见过的；

更加节能。其它三种传感器需直流5V供电，而新型转速传感器使用3.3V直流供电；

安装更加方便。新型转速传感器可以直接接入直流3.3V，不需要在输出和电源之间接入上拉电阻。而其它三种传感器，则需要在直流5V和输出之间接入一个1kΩ的上拉电阻。

目前的霍尔效应传感器应用中的以下几个问题：

(1)感应间距较小。

(2)转速测量范围较小。

(3)节能还不够理想。

(4)安装方便性不够。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供了一种霍尔效应齿轮齿转速传感器，增大了感应间距，增大了转速测量范围，更加节能，安装更加方便。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种霍尔效应齿轮齿转速传感器，包括霍尔芯片和两个磁源，两个磁源分别设在所述霍尔芯片的两边；所述霍尔芯片由3.3V电源供电，输出端连接信号处理电路，所述信号处理电路输出低电平为0、高电平为3.3V的脉冲信号。

所述霍尔芯片采用P2A。

所述霍尔芯片P2A的1引脚接电容C1后接模拟地，同时接3.3V电源，2和4引脚都接所述信号处理电路的输入端，3引脚接电阻R1后接模拟地。

所述信号处理电路包括依次串联的第一级放大电路、第二级放大电路及比较器电路。

所述第一级放大电路和第二级放大电路的增益为88dB。

所述第一级放大电路采用运放OP284FS。

所述第二级放大电路采用运放AD623。

所述比较器电路采用比较器LMC7221。

两个磁源的上表面极性相反。

两个磁源为柱状或片状磁铁。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用新的结构设计和电路设计，具有以下优点：

(1)在相同的转速情况下，本实用新型可适用于更大的感应间距；

(2)在相同的感应间距下，该新型可以测量更大的转速范围；

(3)使用3.3V直流(而不是5V)，更加节能；

(4)不需要在直流电源和输出之间接入一个上拉电阻，安装更加方便。

附图说明

图1为本实用新型的位置结构图；

图2(a)为霍尔芯片的电路连接图，图2(b)为霍尔芯片的电路板图；

图3为信号处理电路的电路框图；

图4(a)为齿轮1,图4(b)为齿轮2,图4(c)为齿轮3；

图5为测量系统的示意图；

图6为“直流电机转速控制”模块示意图；

图7为电机转速控制和测量的软件结构；

图8为电机测量数据处理流程图；

图9为使用电机1和齿轮1，感应间距为2mm，在调节占空比分别为20％、40％、50％、 60％、80％和100％的情况下，使用表1中四种传感器测量的电机的转速；

图10为使用电机1和齿轮1，在调节占空比分别为20％、40％、50％、60％、80％和100％的情况下，设定感应间距分别为1mm到9mm(间隔为1mm)，使用KoSM测量的电机的转速；

图11为使用电机1和齿轮2，感应间距为2mm，在调节占空比分别为20％、40％、50％、 60％、80％和100％的情况下，使用表1中四种传感器测量的电机的转速；

图12为使用电机1和齿轮2，在调节占空比分别为20％、40％、50％、60％、80％和100％的情况下，设定感应间距分别为1mm到6mm(间隔为1mm)，使用KoSM测量的电机的转速；

图13为使用电机1和齿轮3，在感应间隔为1mm、占空比分别为20％、40％、50％、60％、 80％和100％的条件下，使用KoSM和其它的三种传感器所测得的电机转速；

图14为使用电机1和齿轮3，感应间隔为1mm和2mm，占空比分别为20％、40％、50％、 60％、80％和100％时，使用KoSM所测得的电机转速；

图15为使用电机2和齿轮1，在感应间隔为3mm、占空比分别为7％、10％、20％、30％、 50％和100％的条件下，使用KoSM和其它的三种传感器所测得的电机转速；

图16为使用电机2和齿轮1，设置感应间距为1mm到9mm(步长为1mm)，占空比分别为7％、10％、20％、30％、50％和100％时，使用KoSM所测得的电机转速；

图17为使用电机2和齿轮2，在感应间隔为3mm、占空比分别为7％、10％、20％、30％、 50％和100％的条件下，使用KoSM和其它的三种传感器所测得的电机转速；

图18为使用电机2和齿轮2，在调节占空比分别为7％、10％、20％、30％、50％和100％的情况下，设定感应间距分别为1mm到6mm(步长为1mm)，使用KoSM测量的电机转速；

图19为使用电机2和齿轮3，在感应间隔为1mm、占空比分别为7％、10％、20％、30％、 50％和100％的条件下，使用KoSM和其它的三种传感器所测得的电机转速；

图20为使用电机2和齿轮3，在调节占空比分别为7％、10％、20％、30％、50％和100％的情况下，设定感应间距分别为1mm、2mm，使用KoSM测量的电机转速。

其中，1.霍尔芯片，2.磁铁。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，一种霍尔效应齿轮齿转速传感器，包括霍尔芯片1和两个磁源2，两个磁源分别设在所述霍尔芯片的两边；所述霍尔芯片由3.3V电源供电，输出端连接信号处理电路，所述信号处理电路输出低电平为0、高电平为3.3V的脉冲信号。两个磁源的上表面极性相反。两个磁源为柱状或片状磁铁。

磁源还可以使用不同的磁源种类，如线圈等；可以使用不同的磁源与霍尔芯片的间距；可以使用两个不同大小的磁源。

图2(a)-图2(b)所示，所述霍尔芯片采用P2A。所述霍尔芯片P2A的1引脚接电容 C1后接模拟地，同时接3.3V电源，2和4引脚都接所述信号处理电路的输入端，3引脚接电阻R1后接模拟地。

在图2(a)中，电阻(约为680Ω)是用来设置通过霍尔芯片(P2A)的电路大约为2.4mA。在图2(b)中，印刷电路板中两个直径为6mm的孔是用来放置磁铁2的。孔径的大小根据磁片的尺寸进行设计。

图3所示，所述信号处理电路包括依次串联的第一级放大电路、第二级放大电路及比较器电路。

所述第一级放大电路和第二级放大电路的增益为88dB。所述第一级放大电路采用运放 OP284FS。所述第二级放大电路采用运放AD623。所述比较器电路采用比较器LMC7221，把前两级放大后的信号转变为低电平为0、高电平为3.3V的脉冲信号。

为了便于比较测量结果，使用以下四种霍尔效应齿轮齿转速传感器进行了测量：本实用新型提供的传感器和另外三种市场上的相似的产品，分别为Honeywell公司的GT101DC， Cheery Americas公司的GS1012，以及Littelfuse公司的55505Hall Effect Flange Mount Geartooth Speed Sensor，如表1所示。

表1

为了便于比较结果，使用三种齿轮齿进行了测量，如表2所示。由于加工设备的限制，实际的齿轮齿底部是平的，如图4(a)-图4(c)所示。

表2三种参考齿轮尺寸

为了支持载有齿轮的大范围的转速，使用了两个直流电机，如表3所示。

表3使用的两个直流电机

测量系统的示意图如图5所示。

本实用新型传感器的供电为直流3.3V。而另外三种齿轮齿转速传感器的供电电压为直流5V，而且需要在供电5V和传感器输出之间接入一个1kΩ的偏置电阻。

“直流电机转速控制”模块的示意图如图6所示。

在图6中，使用mbed NXP LPC 1768作为控制系统的中心。使用液晶显示器EA-DOGM 162作为有关信息的显示输出。

使用双桥电机驱动套件TB6612FNG驱动电机。

测量和控制部分的软件结构如图7所示。在图7中，软件由两个主要的部分组成：一个是转速控制部分；另外一个是转速测量部分。

电机转速控制部分

在电机转速控制部分，首先，从电位器和电阻网络中获得两个电压信号。然后，使用这两个电压信号来计算脉冲信号的占空比，用来设定电机转速的控制信号。通常来讲，如果电位器的质量足够好，使用获得一个电压信号来计算占空比和设置电机转速就可以了。

假设获得的这两个电压信号为V₁and V₂，V₁是一个近似的固定值，V₂将是在V₁和V_max之间的、由电位器的调节位置决定的一个电压值。假设V₂(在V₁和V_max)和占空比(从0到 100％)之间是线性关系，占空比(duty cycle)可有公式(1)获得。

然后，使用获得的占空比，使用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation(PWM))，来设置电机的转速。

当然，为了消除随机误差，V₁和V₂并不是直接从电位器上获得的电压值，而是100次所获得值的平均值。

转速测量部分

使用中断函数来记录一系列的脉冲，接着，计算脉冲的平均周期。然后，计算该平均周期和前面缓存中的平均脉冲周期的相对误差。把该相对误差与系统初始化中设定的最大相对误差(error_tol_MAX)进行比较。如果该相对误差大于最大相对误差，那么，清除缓存；否则，把该脉冲的平均值存入缓存。这个过程如图8所示。

接着，使用这个齿轮齿的平均脉冲周期(T_tooth)，齿轮齿的转动频率(f_tooth)可以使用公式(2) 获得。

所以，电机的转动频率(f_motor)可以求解为：

其中，N_tooth是齿轮齿的个数。

然后，便可获得电机的转速(Speed_motor)为：

Speed_motor＝60·f_motor,RPM (4)

高速测量–电机1和齿轮1

为了获得较高的转速，使用电机“PAN14EE12AA1”。

通过设置占空比(duty cycle)为20％、40％、50％、60％、80％和100％，可以获得相对应的六种转速。使用如表1所示的四种传感器，来测量电机的转速。

经过测量，可以获得使用这四种齿轮齿传感器的感应间距，如表4所示。

表4对齿轮1，使用四种齿轮齿转速传感器的感应间距

当感应间距为9mm时，使用KoSM，输出信号并不是标准的方波，而是有一点失真，但是这并不影响测量的结果。

表4很清楚地表明对齿轮1来讲，与表1中其他的三种齿轮齿传感器相比较，KoSM具有较大的感应间距。

使用电机1和齿轮1，设定感应间隔为2mm，调节占空比分别为20％、40％、50％、60％、 80％和100％，使用表1中的四种传感器测量电机的转速，结果如图9所示。

图9清楚的显示出在转速为2100到14000RPM的范围内，使用这四种传感器测量的结果具有很好的一致性。

使用KoSM，设定感应间隔分别为1mm到9mm(间隔为1mm)，测得的电机转速如图10所示。

从图10中可以看出，在感应间距分别为[1，9]mm时，调节的占空比分别为20％、40％、 50％、60％、80％和100％，使用KoSM测得的电机的转速在[2,100,14,000]RPM的范围内，具有较好的一致性。

高速测量–电机1和齿轮2

使用电机1和齿轮2，对表1中的这四种传感器而言，所测得的有效感应间距，如表5 所示。

表5使用电机1和齿轮2，这四种传感器可以测得的有效感应间距

当感应间距为6mm时，使用电机1和齿轮2，KoSM测得的输出信号是一个具有一些失真的非标准的方波。但这并不影响测量的结果

从表5可以看出，使用电机1和齿轮2，KoSM的有效感应间距可以大到6mm，而与之相比的其他三种传感器GT101DC、GS1012和55505，则具有的有效间距分别为2mm、3mm 和2mm。

当设置感应间距为2mm，占空比为20％、40％、50％、60％、80％和100％时，这四种传感器所测得的电机转速，如图11所示。

图11表明，除去在设置占空比为80％时，使用传感器GS1012测得的结果比使用其它传感器测得的结果稍小(偶然误差)之外，使用这四种传感器测得的结果具有较好的一致性。

使用传感器KoSM，在感应间距为1mm到6mm(间隔为1mm)时，测得的结果如图12所示。

图12表明，除去在感应间隔为6mm和占空比为100％时，所测得的值有点小之外，对不同的感应间隔从1mm到6mm(间隔为1mm)，和不同的占空比分别为20％、40％、50％、 60％、80％和100％而言，KoSM测得的结果具有很好的一致性。

高速测量---电机1和齿轮3

使用电机1和齿轮3，使用表1中的四个传感器，可以测得各个传感器所具有的有效感应间隔，如表6所示。

表6使用电机1和齿轮3所测得的各个传感器所具有的有效感应间隔

从表6中可以看出，使用电机1和齿轮3，KoSM具有较大的2mm的有效感应间隔，而其它的三个传感器GT101DC、GS1012和55505都具有1mm的有效感应间隔。

设置感应间隔为1mm，和设置占空比分别为20％、40％、50％、60％、80％和100％时，使用KoSM和其它的三个传感器所测得的转速，如图13所示。

从图13中可以清楚的看到，使用电机1和齿轮3，在感应间隔为1mm、占空比分别为 20％、40％、50％、60％、80％和100％的条件下，使用这四种传感器所测得的电机转速有较大的差别，与使用电机1和齿轮2的情况下相比。

使用电机1和齿轮3，在感应间隔为1mm和2mm时，使用KoSM测量的结果，如图 14所示。

从图14所示，除去在占空比为80％和100％的条件下，电机转速达到或超过10000RPM 时，在感应间隔为1mm和2mm时，使用KoSM所测得的结果差别较大之外，其它情况下，所测得的结果具有较好一致性。

低速测量–电机2和齿轮1

为了测量电机的低转速，使用电机2“950D501”。

使用占空比7％、10％、20％、30％、50％和100％，设置电机的六个转速。同时，使用表 2中的三个齿轮，和表1中的四个传感器来进行测量。

使用电机2和齿轮1，设置感应间隔为2mm，使用占空比7％、10％、20％、30％、50％和100％，使用表1中四个传感器测量的电机转速如图15所示。

如图15所示，在所测得的转速范围6RPM到220RPM内，使用四个传感器测得的结果一致性很好。

使用电机2和齿轮1，在设置感应间距分别为1mm到9mm(间距为1mm)时，使用 KoSM所测得的结果如图16所示。

如图16所示，设置感应间距为1mm到8mm(步长为1mm)时，相对于指定的占空比，使用KoSM测得的电机转速在[6,220]RPM的范围内，具有很好的一致性。当感应间距设置为9mm时，测得的转速较大一些。

低速测量–电机2和齿轮2

使用电机2和齿轮2，设置感应间隔为2mm，和占空比分别为7％、10％、20％、30％、 50％和100％，使用四种传感器所测得的电机转速，如图17所示。

从图17中可以看出，除去使用传感器GT101DC在占空比为80％和100％时，测得的转速有点小之外，使用这四个传感器测得的结果具有较好的一致性。

设置感应间隔从1mm到6mm(步长1mm)，使用KoSM测得的电机转速如图18所示。

从图18中可以看出，在设置占空比为7％、10％、20％、30％、50％和100％，转速范围为[6,220]RPM的情况下，在感应间距分别为1mm到6mm(步长为1mm)时，使用KoSM 测得的转速具有较好的一致性。同样可以清楚地看到，与较小的感应间隔相比，在感应间隔为5mm和6mm时，在一些较大占空比的情况下，使用KoSM测得的电机转速稍大一些。

低速测量–电机2和齿轮3

使用电机2和齿轮3，感应间隔为1mm，使用四种传感器所测得的转速如图19所示。

从图19中可以看出，使用传感器KoSM和GT101DC测得的结果，比使用GS1012和55505 测得结果要小。

使用电机2和齿轮3，使用感应间距为1mm、2mm，使用传感器KoSM测得的电机转速，如图20所示。

如图20所示，在调节占空比分别为7％、10％、20％、30％、50％和100％的情况下，设定感应间距分别为1mm、2mm，使用KoSM测量的电机转速具有很好的一致性。但同时，从图20中也可以看出，在感应间距为1mm时，使用KoSM测量的电机转速，比在在感应间距为2mm时测得稍小。这是因为尤其在电机转速很低时，感应间距越小，磁片和齿轮齿之间的吸引就越大，电机的转速就会稍小。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。