基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)*

陳國彬，張曉明，崔 星，李永慧，劉 俊

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步，許多軍事、工業(yè)領(lǐng)域?qū)ο鄬D(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的精度、體積、抗干擾的要求越來越高，可靠的小型化、高精度相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。目前測量相對轉(zhuǎn)速的方法主要有基于測速發(fā)電機(jī)原理和基于光電編碼原理的兩種方案。永磁直流測速發(fā)電機(jī)具有靈敏度高、正反轉(zhuǎn)輸出特性一致等優(yōu)點(diǎn)，但該方法成本較大、對安裝精度要求高、體積較大且易受溫度影響；光電編碼器可以檢測相對旋轉(zhuǎn)位置和方向，且測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但其安裝工藝復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)小型化[1]、抗沖擊力弱。特別是在測量彈體相對旋轉(zhuǎn)的工作環(huán)境中，要求測量系統(tǒng)體積小、安裝精度要求低、抗高過載。因此，文中提出了一種基于磁阻傳感器相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。

通過磁傳感器檢測磁場強(qiáng)度的變化來測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到上述測量要求。與測速發(fā)電機(jī)不同，這種測試系統(tǒng)根據(jù)信號脈沖之間的時(shí)間長度來確定轉(zhuǎn)速，測量結(jié)果不會(huì)受溫度或負(fù)載的影響。同時(shí)，由于磁場具有穿透特性[2]，磁傳感器與被測磁場之間只要沒有磁屏蔽介質(zhì)相隔，就可以檢測到磁場強(qiáng)度的變化，因此其受外界環(huán)境的制約小，可用于惡劣環(huán)境下的測量工作。并且這種測量系統(tǒng)體積小、成本低，安裝簡便、容易實(shí)現(xiàn)小型化。文中闡述的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)僅通過采集單通道數(shù)據(jù)就可以確定旋轉(zhuǎn)方向，結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)測速工作原理

基于磁阻傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于磁傳感器的輸出電壓隨其所處環(huán)境中磁場強(qiáng)度的改變而改變的設(shè)計(jì)思想。安裝結(jié)構(gòu)說明，被測轉(zhuǎn)子的側(cè)面按不同極性方向放置兩塊永磁體，該永磁體應(yīng)放置在距離旋轉(zhuǎn)軸心相同半徑處，并且其安裝相位相差90°（見圖1）。

磁阻傳感器安裝在另一相對旋轉(zhuǎn)體或固定體上，其位置要與相對旋轉(zhuǎn)體相距一定距離（該距離根據(jù)安裝需要和磁阻傳感器的具體指標(biāo)來自行確定），相對旋轉(zhuǎn)體之間無需電氣連接。磁阻傳感器的測量軸向要求與永磁體的磁軸平齊，但其安裝精度的要求沒有光電編碼器嚴(yán)格。在被測的相對旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)到某一永磁體與磁阻傳感器正對的位置時(shí)，磁傳感器所探測到的磁場強(qiáng)度將達(dá)到最大值，同時(shí)系統(tǒng)輸出也將達(dá)到最大值；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到另一永磁體與磁阻傳感器正對的位置時(shí)，磁阻傳感器所探測到的磁場強(qiáng)度將達(dá)到最小值，相應(yīng)的系統(tǒng)輸出也將達(dá)到最小值。所以在相對旋轉(zhuǎn)過程中，該相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的輸出信號為一個(gè)周期信號，該信號的周期與被測相對旋轉(zhuǎn)周期一致，幅值由永磁體的磁矩、永磁體與磁傳感器的距離及信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)確定。相對旋轉(zhuǎn)的方向可根據(jù)輸出信號的波形來確定。不同方向的旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)為電壓最大值與電壓最小值之間的變化所經(jīng)歷的時(shí)間不同。在旋轉(zhuǎn)體按正方向旋轉(zhuǎn)時(shí)由電壓最小值到電壓最大值所經(jīng)歷的時(shí)間占一個(gè)周期的四分之一；按反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由電壓最大值到電壓最小值所經(jīng)歷的時(shí)間占一個(gè)周期的四分之一（見圖2）。

圖1 相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理圖

因此本系統(tǒng)依靠單通道數(shù)據(jù)即可判定旋轉(zhuǎn)方向，減少了系統(tǒng)資源與空間位置的占用。

圖2 不同方向旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)波形

2 系統(tǒng)硬件組成

基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要由單軸磁阻傳感器、信號調(diào)理模塊、采集存儲模塊等組成（見圖3）。

磁阻傳感器選用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC1051Z單軸磁阻傳感器，該傳感器具有成本低、體積小、功耗低、測量精度高、抗高沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可測量±6Gauss的磁場強(qiáng)度，具有1mV／V／Gauss的靈敏度，同時(shí)具有芯片內(nèi)部置位／復(fù)位功能，其測量帶寬為5MHz，可有效測量500kHz以下的周期信號。

由于HMC1051Z為雙端輸出，輸出電壓為雙極性電橋輸出，所以信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)為差分放大電路（見圖4）。該放大電路的增益根據(jù)所選用的永磁體的磁場強(qiáng)度和磁阻傳感器與永磁體之間的距離所決定。為了簡化系統(tǒng)中的電源配置，選用單極性電源供電。為防止運(yùn)放的輸出電壓反相電壓截止，所以運(yùn)放的正相段接入基準(zhǔn)電壓VREF，該基準(zhǔn)電壓的幅值應(yīng)根據(jù)運(yùn)放輸出的雙極性信號的單峰值來選擇。

圖3 系統(tǒng)硬件組成

圖4 磁傳感器的信號調(diào)理電路與復(fù)位電路

磁阻傳感器的復(fù)位是至關(guān)重要的，如果磁阻傳感器暴露在過強(qiáng)的磁場中會(huì)使其靈敏度降低，影響測量結(jié)果。對其進(jìn)行周期性的復(fù)位既可以保證其正常工作，又可以保持其靈敏度的線性特性。根據(jù)HMC1051Z單軸磁阻傳感器的特性，其復(fù)位時(shí)需要400mA以上的電流脈沖，該電流脈沖的持續(xù)時(shí)間至少為2μs，所以為了減小系統(tǒng)功耗，本相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)選用點(diǎn)滴式充放電復(fù)位電路。傳感器的復(fù)位電路由C1、C2、R13、R14、Q1、DO1組成（見圖4）。DO1端輸入周期性方波脈沖信號，該信號由系統(tǒng)控制芯片提供。當(dāng)DO1為低電平時(shí)，PNP型三極管Q1關(guān)斷，VCC經(jīng)由R13對C1進(jìn)行充電；當(dāng)DO1轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，C2與R14會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正電壓，使得Q1開啟，C1放電，在SR＋端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接近VCC的電壓脈沖，在SR＋與SR－端產(chǎn)生一個(gè)大于400mA的電流脈沖。根據(jù)傳感器對復(fù)位電流持續(xù)時(shí)間的要求，用于充放電的電阻R13選用220Ω，電容C1選用0.22μF。

采集存儲模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸，并提供傳感器復(fù)位脈沖，該模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲、數(shù)據(jù)傳輸組成（見圖5）。

基于磁傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA作為控制核心。本系統(tǒng)選用5kHz的采樣率，該采樣率可對轉(zhuǎn)速在1kHz以下的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行有效測量，如需要測量其它較高的相對轉(zhuǎn)速則可以選擇較高的采樣率。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可選TI公司的ADS8504，內(nèi)置單通道12位ADC，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)250kSPS，具有并行輸出功能，能大幅度的減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。運(yùn)用5V直流電源供電，可簡化系統(tǒng)中的電源配置。輸入電壓范圍較寬，可采集±10V范圍內(nèi)的電壓。FLASH存儲選用K9F2G08芯片，其具有256M×8bit的數(shù)據(jù)存儲空間，若應(yīng)用5kHz的采樣率，可有效采集71h的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸選用串口傳輸，其有效傳輸速率最高為115200bit／s，可支持7kHz以下的采樣率，如需要更高的采樣率可選用USB傳輸。根據(jù)應(yīng)用不同的應(yīng)用環(huán)境可以選擇不同的工作模式：1）實(shí)時(shí)上傳；2）板上存儲、事后上傳。比如在測量彈體相對轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境中，由于安裝空間的要求，只能選擇板上存儲、事后上傳的工作模式。

圖5 采集存儲模塊組成

3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量方法

基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)是根據(jù)磁阻傳感器輸出的時(shí)域信號的周期或頻率變化實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)速測量。而光電編碼器或磁選編碼器測量轉(zhuǎn)速的方法有適用于高轉(zhuǎn)速的測頻率法（M法）和適用于低轉(zhuǎn)速的測周期法（T法）[3]。M法是通過測量一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來獲得速度值；T法是通過測量相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來獲得速度值。本系統(tǒng)運(yùn)用FFT測量方法來確定時(shí)域信號的周期或頻率變化，該方法主要通過對截取的一段測量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，找到主要頻率分量所對應(yīng)的頻率值，即為所求的旋轉(zhuǎn)頻率。

具體測速方法如下，首先截取一段測量數(shù)據(jù)，該測量數(shù)據(jù)的時(shí)間長度T0是由信號頻譜分析中要達(dá)到的頻率分辨率Δf＝1／T0所決定的。如信號頻譜分析中的頻率分辨率要小于0.1Hz，截取測試數(shù)據(jù)的時(shí)間長度要大于10s。該測量方法的相對誤差E為：

其中n表示標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

由式（1）可以看出，所測信號的轉(zhuǎn)速越大，截取數(shù)據(jù)的長度越長，測量結(jié)果的相對誤差越小，測量精度就越高。因此，對于勻速旋轉(zhuǎn)的測量，應(yīng)盡可能截取長時(shí)間的穩(wěn)定變化信號；對于轉(zhuǎn)速緩慢連續(xù)變化旋轉(zhuǎn)的測量，可以將截取部分的數(shù)據(jù)視為勻速旋轉(zhuǎn)，通過頻譜分析得到主要信號的頻率，并將該頻率作為此段截取數(shù)據(jù)時(shí)間中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)頻率，造成了測量結(jié)果的時(shí)間延遲。延遲時(shí)間長度τ為：

應(yīng)用該測速系統(tǒng)對CQM6132小型高精度車床提供的不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量，以驗(yàn)證該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的精確度。由于車床提供的轉(zhuǎn)速誤差較大，所以應(yīng)用單軸高精度大量程陀螺PA－ARG－10800作為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，該陀螺的測量范圍是±10800°／s，分辨率小于10°／s，將其與車床同軸旋轉(zhuǎn)。車床提供轉(zhuǎn)速分別為：335r／min，500r／min，710r／min，1000r／min，1400r／min。令本測速系統(tǒng)同時(shí)采集磁傳感器數(shù)據(jù)與陀螺數(shù)據(jù)，采樣頻率5kHz，在每種轉(zhuǎn)速下兩通道分別采集60s的穩(wěn)定數(shù)據(jù)。采集完成后，從每種轉(zhuǎn)速的測量數(shù)據(jù)中提取10s的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行頻譜分析，找到主要頻率分量所對應(yīng)的頻率值。圖6為不同轉(zhuǎn)速下陀螺的輸出數(shù)據(jù)。圖7為1400r／min轉(zhuǎn)速條件下磁傳感器輸出的時(shí)域信號與頻域分析的處理界面，其中設(shè)定分析數(shù)據(jù)為2～12s之間的數(shù)據(jù)，經(jīng)過頻譜分析，得到主要交流分量的頻率為24.8718Hz。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下陀螺數(shù)據(jù)

圖7 1400r／min轉(zhuǎn)速磁傳感器頻譜分析

按照上述數(shù)據(jù)處理方式，得到不同轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果如表1所示。測量的相對誤差隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，符合上述測量精度的要求。由于本系統(tǒng)應(yīng)用FFT測量方法，所以頻譜分析中的頻率分辨率越小，相對誤差就越小，從而頻率測量精度越高，但其要求信號的截取時(shí)間長度就越長，相應(yīng)的頻率測量的延遲時(shí)間就越長，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況折中選擇。

表1 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)與陀螺數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

文中闡述的基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)具有體積小、精度高、抗干擾、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)，原理簡單易于實(shí)現(xiàn)，并且可用于惡劣條件下的轉(zhuǎn)速測量工作，尤其適合應(yīng)用在像彈體轉(zhuǎn)速測量這種高溫、高沖擊的測量條件下。但該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)只適用于勻速旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速緩慢連續(xù)變化旋轉(zhuǎn)的測量，對于轉(zhuǎn)速突變的旋轉(zhuǎn)仍然達(dá)不到理想的測量精度。下一步的研究工作主要是通過改良數(shù)據(jù)處理方法，從而減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，提高測量精度并擴(kuò)大系統(tǒng)的測速范圍。

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