基于霍尔旋转编码器实现胶印机控制系统的应用设计

作者：邱召运，李述香，刘发明，刘其涛，姜广东

实现胶印机印刷工艺过程的程序控制系统（PLC）需用多个传感器对纸张位置、旋转角度进行检测，传感器数量的增多给安装、调试和使用造成诸多不便，使设备的可靠性降低，电气控制系统的成本增加。分析胶印机的功能和机械传动系统发现，胶印机的合压、打码、拨码、喷粉和双回转功能属顺序控制，可通过检测收纸辊的旋转角度，实现程序控制。考虑到胶印机存在油、墨、水和落尘污染，又属连续运行的苛刻应用环境，磁敏型传感器较为适合，但对控制工位相对少的胶印机来说，选用磁旋转编码器又显得价格昂贵。因此，基于开关型霍尔电路设计了霍尔式胶印机旋转编码器系统（以下简称霍尔旋转编码器），使传感器的安装、调试、布线简化，节省了PLC的输入接口资源，在胶印机控制系统中的应用取得了成功。

1 霍尔旋转编码器原理框图

霍尔旋转编码器主要由旋转磁铁组合、取样电路和信号处理电路等部分组成，如图1所示。其中，旋转磁铁组合安装在胶印机收纸辊上，霍尔旋转编码器电路部分固定在机体上，敏感面对准磁极，两者间距小于5 mm，对收纸辊的旋转角度进行取样。因磁极的位置是确定的，所以取样信号是绝对位置量。如果取样电路具有识别印刷工艺起点和位置顺序控制点的能力，那么印刷的过程就能通过一个传感器的多点取样，实现程序控制。取样的基础是基于霍尔电路A3144，显然单一霍尔芯片不能实现包括起始点和顺序点的取样，需要对取样电路进行特殊设计，以满上述要求。取样电路获取的位置信号送信号处理电路，经软件系统对信号进行判断处理，确认后输出编码信息。

2 取样电路系统设计

2．1 双霍尔取样系统结构与原理

根据开关型霍尔电路原理，霍尔芯片只对一个方向的磁场有效，这就是说霍尔芯片的一个感应面为磁体的s极敏感，那么另一面一定是N极敏感，假设这两面分别叫S面和N面。将两个开关型霍尔芯片A和B的相同敏感面（例如N面）相对，A在前，B在后叠放，组成一双霍尔取样电路AB。芯片A的输出定义为Va，芯片B的输出定义为Vb，显然对来自同一方向的磁体，芯片A对S极敏感，芯片B对N极敏感，即S极触发双霍尔AB，则Va输出，N极触发AB，则Vb输出，参见图2。这种设计使取样芯片组对两个磁场方向都敏感，因芯片独立输出，具有识别磁极的能力。由于磁体组的S极、N极有位置间隔，所以Va，Vb信号在时间上不重叠。当S，N1，N2， N3，N4旋转一周顺序触发AB时，芯片A将输出一个脉冲，称之为“起始点”或零信号；芯片B将输出四个脉冲，称之为“顺序点”信号。基于这种思想设计取样电路，实现了对旋转磁体组各磁极的识别功能，尤其关键的是能确定印刷过程的起始点。

2．2 胶印机磁体组合设计 ．

用于胶印机的磁体组合由5块稀土磁钢构成，其中一个磁体的S 极朝外且对应印刷“合压”位置，另外四个磁体的N极朝外，分别对应“打码”、“拨码”、“喷粉”和“双回转”工艺过程位置。因设备间存在差异，“打码”、 “拨码”位置可同步调整。磁铁组合安装在胶印的收纸辊上，每完成一次印刷过程，收纸辊旋转一周，通过检测磁体位置，实现了对胶印机印刷过程的程序控制。

3 霍尔旋转编码器电路设计

编码器电路的核心采用了Microchip Technology Inc，生产的PIC12C508A微控器。它基于COMS设计，采用RISC结构，片内程序存储器EPROM和数据存储器RAM，集成了上电复位电路 （POR）、时钟振荡器（INTRC）、看门狗定时器（WDT）等功能单元，具有小型化封装（8-Lead SIOC）、低功耗（2）取样轮每旋转一周，软件系统完成一个编码序列转换。编码脉冲低电平宽度由软件决定，与旋转速度无关，而高电平宽度则由磁体N极间隔决定。因此一个完整的编码序列包含了起始点、顺序位置间隔和旋转周期三个方面的信息。

4 软件系统设计

PIC12C508A微控器，采用精简指令集系统，除跳转指令外绝大多数指令周期为。

4．2 软件系统程序清单

软件设计包括初始化程序、主程序和延时子程序，参考程序清单如下。

（1）寄存器定义与初始化程序

5 结 语

霍尔旋转编码器具有开关型霍尔传感器的优点，它基于简单实用的原则设计，直接获取位置信号，原理上与结构复杂精密的磁旋转编码器不同。该系统在胶印机上的应用取得了较好效果，性能稳定可靠，具有优异的性能价格比。对位置测量，取样点越多，其优越性越明显。尽管是针对胶印机特点设计，但其应用却具有普遍意义。磁体组合可根据需要灵活设计，为它用提供了方便。

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