Схема с датчиками холла по принципу угла поворота или датчик положения лодочного мотора

Введение

Иногда у клиентов возникают совершенно эксентричные идеи и желания, а воплощать их нам, электронщикам.
Всегда ли при этом надо использовать хай-тек, т.е. «высокие технологии»?
Конечно — нет. Так и получилось на этот раз — просто, «дешево» и со вкусом.

Задание

Есть катер и на нем установлен лодочный мотор с круговым вращением на 360 градусов. Делается это сервоприводом или тросиками — не важно, но индикации положения мотора — нет.

Требуется:
— обеспечить дискретное измерение положения мотора с помощью датчиков Холла;
— дискретность (шаг) 15 градусов или по ситуации;
— электропитание схемы 12 V DC;
— отображение положения мотора допустимо осуществлять круговым светодиодным индикатором (зеленый — обозначение циферблата; красный — отметка положения мотора);
— линия связи между датчиком и индикатором допускается в виде кабеля.

Решение

1. Дизайн индикатора

Дизайн достаточно примитивен, но информативен.
На рис. 1 представлено упрощенное изображение циферблата индикатора с меньшим числом точек измерения положения, чем по ТЗ.

Изготовление циферблата выполняется из оргстекла, с установкой трехцветных светодиодов по внешнему кругу и красных светодиодов — по внутреннему. Это позволяет сформировать выраженную красную стрелку положения. Основные цифры и оси подсвечиваются белыми светодиодами постоянно.

Рис.1. Дизайн индикатора.

2. Принцип измерения положения мотора

Предложен самый простой принцип на основе датчиков Холла, размещенных по окружности неподвижного основания и единственного магнита, размещенного на вращающейся части мотора.

Данная схема приводит, конечно, к значительному числу датчиков Холла, равному числу регистрируемых положений мотора. В нашем случае это N = 360 / 15 = 24 или около того.

3. Дизайн магнитной системы датчика положения

Используя FEMM, создадим дизайн магнитной системы.
Особенность этой системы — возможность одновременного свечения двух ближних светодиодов из-за срабатывания двух ближних датчиков Холла.
Это, кстати, может позволить снизить в два раза число требуемых датчиков Холла при сохранении условной точности визуального позиционирования.

Верхняя часть магнитной системы — это подвижная часть, а нижняя — неподвижная.
На каждом выступе нижней части находится свой датчик Холла.
На верхней подвижной части находятся два магнита (Nb55), соединенных «железной» перемычкой (Pure Iron).

Рис.2. Анализ магнитной системы датчика положения.

4. Магнитный сенсор

В качестве датчика Холла будем использовать микросхему TLE4905 от Infinion.
Напряжение питания от 3.8 V до 24 V, ток собственного потребления 3..8 mA, коммутируемый ток до 100 mA.
Выход — открытый коллектор.

Рис.3. Датчики Холла

5. Схема индикатора

Число светодиодов — условно и зависит от числа фиксируемых положений.

Для примера выбраны трехцветные светодиоды BL-L515RGB.

Параметры:
— прямой ток If ≤ 20 mA;
— прямое падение Uf зависит от «цветности».

Для зеленого светодиода выбираем ограничительное сопротивление:
RBG = (Vdc — Vf) / If = (12 — 3.8) / 20 = 430 Ohm.

Для красного светодиода выбираем ограничительное сопротивление:
RBG = (Vdc — Vf) / If = (12 — 2.1) / 20 = 510 Ohm.

6. Расчет мощности потребления при N=24.

Подсветка зелеными светодиодами:
PG = N * Uf² / 430 = 24*3.8^2/430 = 0.8 W

Индикация положения красным(и) светодиодами:
PR = 2 * 2.1² / 510 = 0.017 W

Собственное потребление датчиков Холла:
PH = 24*12*0.008 = 2.3 W

Общее потребление схемы:
PS = 0.8 + 0.02 + 2.3 = 3.1 W

Выводы

• схема чрезвычайно проста и не требует применения микроконтроллеров;
• схема требует числа элементарных датчиков Холла, пропорционально числу фиксируемых положений;
• принцип отображения угла поворота на основе круговой шкалы из светодиодов не требует преобразований угла положения в численное отображение, что исключает необходимость использования MCU.
• недостаток Схемы — использование большого числа гальванических связей (N+2) между датчиком и индикатором. Впрочем, это не принципиально важный момент и решается использованием проводов витых пар.

Скачать схему можно тут