การทดสอบและสังเกตสัญญาณที่ได้จากเซนเซอร์ Hall Effect

วัตถุประสงค์

    เพื่อทดสอบและสังเกตเอาต์พุตที่ได้จากการเซนเซอร์ Hall Effect A1302 ซึ่งในส่วนนี้แรงดันเอาต์พุตสูงสุดของ Hall Effect Sensor คือ 5V และเป็น analog แต่ GPIO ของบอร์ดราสเบอร์รี่พายสามารถรับได้สูงสุดเพียง 3.3V และเป็นดิจิตอลดังนั้นจึงต้องมี วงจร comparator  มาเปรียบเทียบ หากเซนเซอร์ตรวจพบแม่เหล็กจะได้เอาต์พุตที่่ผ่าน comparator เป็น 1 คือแรงดันจากเซนเซอร์มากกว่า 2.5 แต่ถ้าไม่พบแรงดันจะเป็น 0 แล้วทำการลดแรงดันที่ได้จาก comparator ให้ไม่เกิน 3.3 V จึงแบ่งการออกแบบวงจรและการทดสอบออกเป็น 3 ส่วนคือ

   1.วงจร Hall Effect Sensor

   2. วงจร Comparator และ วงจรแบ่งแรงดัน
   3. การทดสอบวงจรโดยรวม

1. วงจร Hall Effect Sensor

การต่อวงจร Hall Effect Sensor

    การทดสอบเบื้องต้น

    1. ทดสอบป้อนแรงดัน Vcc เป็น 5V แล้วทำการวัดแรงดัน Vout ก่อนนำแม่เหล็กมาเข้าใกล้

        - วัดแรงดัน Vout ได้ 2.56 V

    2. ป้อนแรงดันเช่นเดียวกับในขั้นตอนที่ 1 แล้วทำการลดแรงดัน Vcc ทีละ 0.5 V จนเหลือ 0 V และสังเกตแรงดัน Vout ได้ผลการทดสอบดังนี้ 

แรงดัน Vcc และ Vout ของ Hall Effect Sensor

    3.นำแม่เหล็กมาวางห่างจากเซนเซอร์ 1 cm และทำการวัดแรงดัน Vout เช่นเดียวกันขั้นตอนที่ 2 ดังรูป

การวางแม่เหล็กและเซนเซอร์

      ได้ผลการวัดแรงดัน Vout ดังนี้

    สรุปการทดสอบ Hall Effect Sensor

    จากการทดสอบพบว่า เมื่อแรงดัน Vcc ลดลง แรงดัน Vout จะลดลงด้วย ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการใช้งานจริง เพราะในวงจร comparator มีการกำหนดแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบไว้ ที่ 2.5 แต่ถ้าหากแรงดันจาก Hall Effect ลดลงจะทำให้ค่าที่ได้เกิดความผิดพลาด ซึ่งอาจจะแก้ไขโดยใช้วงจรรักษาระดับแรงดันไฟเลี้ยงที่ป้อนให้กลับเซนเซอร์และวงจร comparator

2.วงจร comparator และวงจรแบ่งแรงดัน

แสดงการต่อวงจร Comparator

    การทดสอบเบื้องต้น

    1. กำหนด  Vin ขาลบ(ขา 2)ของไอซี LM393 เป็น 2.5 และป้อนสัญญาณเข้าที่ Vin ขาบวก(ขา 3) จากฟังก์ชัน generator ที่ความถี่ f = 1kHz ,Amplitude = 5Vpp และ offset = 2.5 V

วงจร Comparator 

    2. สังเกตสัญญาณเอาต์พุตที่ได้เทียบกับ Vin ขาบวก โดยที่ Vin มากกว่า 2.5 V สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะมี logic เป็น 1 แต่ถ้าหากแรงดัน Vin น้อยกว่า 2.5 V  สัญญาณเอาต์พุตที่ออกมาจะมี logic 0

สัญญาณอินพุต และเอาต์พุต ที่ป้อนให้กับวงจร Comparator

3. การทดสอบวงจรโดยรวม

     นำวงจร Hall Effect และวงจร Comparator มาทดสอบร่วมกัน เพื่อสังเกตลักษณะของเอาต์พุตที่ได้ ว่ามีลักษณะเป็นอย่างไร ซึ่งในที่นี้จะใช้อุปกรณ์ในการขับมอร์เตอร์มาช่วยในการทดสอบ

อุปกรณ์ที่ใช้

    1. วงจร comparator และวงจร Hall Effect

    2. Brushless Control Box 36V

    3. Power Supply จำนวน 2 เครื่อง

    4. แม่เหล็ก

    5. สายไฟสำหรับต่อวงจร

    6. ออสซิลโลสโคป จำนวน 1 เครื่อง

    7. มัลติมิเตอร์
    8. มอเตอร์
    9. อุปกรณ์วัดความเร็วจักรยาน

ขั้นตอนการทดสอบ

    1. นำเอาต์พุตของวงจร Hall Effect มาต่อเข้ากับขา Vin (ขาบวก) ของวงจร Comparator และติดตั้งวงจร Hall Effect ไว้ใกล้กับส่วนที่เป็นดุมล้อของมอเตอร์และติดแม่เหล็กให้มีระดับตรงกันกับ Hall Effect Sensor และป้อนแรงดันไฟเลี้ยง 5 V ให้กับทั้งสองวงจร 

    2. ต่ออุปกรณ์ Brushless เข้ากับมอเตอร์ ชุดคันเร่งและเบรค จากนั้นป้อนแรงดัน 30 V ให้กับอุปกรณ์ Brushless

    3. ติดอุปกรณ์วัดความเร็วของจักรยานไว้ในระดับเดียวกันกับ Hall Effect Sensor เพื่อวัดความเร็วการหมุนของมอเตอร์

    4. นำออสซิลโลสโคปมาวัดสัญญาณเอาต์พุตของวงจร Hall Effect และวงจร Comparator โดยให้ช่องสัญญาณที่ CH1 เป็นสัญญาณจากวงจร Hall Effect และ ช่องสัญญาณที่ CH2 เป็นสัญญาณจากวงจร Comparator

    5. ทดสอบเร่งความเร็วของมอเตอร์ และบันทึกภาพสัญญาณที่ได้

        โดยก่อนทำการเร่งความเร็วของมอเตอร์ ได้วัดแรงดันจากคันเร่งที่เป็น analog voltage ได้ 0.867 V และความเร็วของล้อเป็น 0 km/h

        5.1 เร่งความเร็วมอเตอร์โดยป้อนแรงดันจากคันเร่ง 1.588 V และวัดความเร็วได้ 8.6 km/h ได้สัญญาณดังรูป

        สัญญาณที่ได้มานั้นมีความกว้าง 31.0 ms และมีความถี่ 1.078 Hz โดยที่ CH1(สีเหลือง) เป็นเอาต์พุตของวงจร Hall Effect วัดแรงดันสูงสุดได้ 4.88 V ส่วน CH2(สีฟ้า) เป็นเอาต์พุตของวงจร Comparator ที่ผ่านการแบ่งแรงดันมาแล้ว วัดแรงดันสูงสุดได้ 2.48 V

        

        5.2 เร่งความเร็วมอเตอร์โดยป้อนแรงดันจากคันเร่ง 1.772 V และวัดความเร็วได้ 12.7 km/h วัดความกว้างของสัญญาณได้ 21.4 ms และมีความถี่ 1.667 Hz ดังรูป

        5.3 เร่งความเร็วมอเตอร์โดยป้อนแรงดันจากคันเร่ง 1.900 V และวัดความเร็วได้ 15.3 km/h ได้สัญญาณที่มีความกว้าง 17.0 ms และมีความถี่ 2.016 Hz ดังรูป

        5.4 เร่งความเร็วมอเตอร์โดยป้อนแรงดันจากคันเร่ง 2.50 V (สูงสุด)และวัดความเร็วได้ 26.9 km/h ได้สัญญาณที่มีความกว้าง 9.80 ms และมีความถี่ 3.57 Hzดังรูป

         5.5 เร่งความเร็วมอเตอร์โดยป้อนแรงดันจากคันเร่ง 3.48 V (สูงสุด)และวัดความเร็วได้ 38.2 km/h ได้สัญญาณที่มีความกว้าง 17.0 ms และมีความถี่ 2.016 Hz ดังรูป

สรุปการทดสอบ

    จากลักษณะของสัญญาณที่ได้ พบว่าเมื่อเร่งความเร็วของมอเตอร์ให้เพิ่มขึ้น ความกว้างของสัญญาณจะแคบลงเรื่อยๆ และความกว้างของคาบเวลาจะลดลงเช่นกัน