一種多圈磁電角度傳感器的實(shí)現(xiàn)方法

劉 潔

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

角度傳感器是一種把機(jī)械旋轉(zhuǎn)的角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備，是機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測(cè)量器件［1］。角度傳感器廣泛應(yīng)用于電機(jī)、汽車、風(fēng)電、電梯、機(jī)器人等領(lǐng)域，它通過光電原理或磁電原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串。當(dāng)前應(yīng)用最多的是光電角度傳感器，但是由于光柵的存在，使得角度傳感器存在抗振性和抗塵性差等問題，其應(yīng)用受到限制。本文提出一種多圈絕對(duì)值磁電角度傳感器的實(shí)現(xiàn)方法，既保證了角度傳感器的抗振、抗塵等環(huán)境適應(yīng)性，又實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)值角度的多圈測(cè)量，擴(kuò)展了角度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 傳感器的組成與基本原理

1.1 傳感器組成

多圈磁電角度傳感器由傳感器殼體、旋轉(zhuǎn)連接軸、激勵(lì)磁體、電路板、超級(jí)電容、解算軟件、連接線等部分組成，如圖1所示。

圖1 傳感器組成圖

旋轉(zhuǎn)連接軸與電機(jī)、汽車、風(fēng)電、電梯、機(jī)器人等產(chǎn)生機(jī)械位移的部位相連接，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)激勵(lì)磁體旋轉(zhuǎn)，信號(hào)采集電路板上的磁檢測(cè)芯片能夠根據(jù)激勵(lì)磁體的旋轉(zhuǎn)輸出電信號(hào)，單片機(jī)處理芯片采集磁檢測(cè)芯片輸出的電信號(hào)，運(yùn)算后得到絕對(duì)值角度和圈數(shù)信息，將解算信息通過RS485轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)連接線接口向外輸出。

1.2 霍爾原理

當(dāng)激勵(lì)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件可感應(yīng)到磁場(chǎng)的磁向量并輸出分別與位置角正弦、余弦信號(hào)成比例的UX和UY電壓信號(hào)，通過UY除以UX，則由敏感芯片自身靈敏度差異或磁場(chǎng)變化引起的誤差被抵消，模擬輸出電壓代表的角度與磁體溫度和IC的增益靈敏度無關(guān)，即芯片輸出電壓成為敏感芯片所檢測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)的一元函數(shù)，代表磁體在整個(gè)360°范圍內(nèi)的絕對(duì)機(jī)械位置。這就是霍爾角度傳感器的原理［2］。

2 傳感器電路組成

傳感器電路集中在信號(hào)處理電路板上，板上的霍爾傳感芯片中心正對(duì)旋轉(zhuǎn)連接軸上的激勵(lì)磁體，能夠根據(jù)激勵(lì)磁體的旋轉(zhuǎn)輸出相互正交的兩路電壓信號(hào)，單片機(jī)將經(jīng)過放大的兩路電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過運(yùn)算得到絕對(duì)值角度和圈數(shù)信息，將該信息通過RS485轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)連接線接口向外輸出［3］；單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓，當(dāng)電源線斷電時(shí)，單片機(jī)利用超級(jí)電容放電，將圈數(shù)信息保存至EEPROM外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)。圖2為傳感器電路組成框圖。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 角度計(jì)算

當(dāng)激勵(lì)磁體（徑向磁化）在霍爾芯片表面轉(zhuǎn)動(dòng)，芯片傳感部分將產(chǎn)生兩個(gè)正交的差分信號(hào)，磁場(chǎng)強(qiáng)度和輸出的感應(yīng)電壓強(qiáng)度與磁體旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如圖3所示。

圖2 傳感器電路組成框圖

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度及輸出電壓與磁體旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線

霍爾芯片的輸出電壓完全正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此可以利用電壓來計(jì)算角度。電壓UX和UY經(jīng)過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算處理。磁體旋轉(zhuǎn)角度由下式計(jì)算：

由UX和UY的值確定象限，實(shí)現(xiàn)0°～360°角度測(cè)量。由于反正切運(yùn)算使用比例值UY／UX，所以由間隙變化、溫度變化以及老化等因素引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化都將等同作用于兩個(gè)信號(hào)上，因此得到的角度信號(hào)本身就具有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。但是由于安裝位置等引起的誤差需要其他的修正方法［4］。

3.2 多圈實(shí)現(xiàn)

圈數(shù)的計(jì)算由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過連續(xù)兩次解算的角度計(jì)算，當(dāng)本次角度在0°～11.25°之間并且上次角度在348.75°～360°之間，則圈數(shù)加1；如果本次角度在348.75°～360°之間，并且上次角度在0°～11.25°之間，則圈數(shù)減1。

圈數(shù)的掉電保存由超級(jí)電容及EEPROM實(shí)現(xiàn)。正常工作時(shí)，單片機(jī)采集磁檢測(cè)芯片的角度數(shù)據(jù)，計(jì)算圈數(shù)；斷電時(shí)由超級(jí)電容放電供單片機(jī)將圈數(shù)信息保存在EEPROM存儲(chǔ)芯片中，再次上電時(shí)，單片機(jī)首先讀取EEPROM中圈數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了多圈計(jì)數(shù)。

EEPROM電路見圖4，其存儲(chǔ)芯片采用AT24C02，它采用的I2C總線是兩線式串行總線，僅需要時(shí)鐘和數(shù)據(jù)兩根線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用時(shí)十分方便。本文中單片機(jī)作為主器件，控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，AT24C02作為從器件，其時(shí)鐘引腳SCL和數(shù)據(jù)引腳SDA連接單片機(jī)上的相應(yīng)引腳即可［5］。

圖4 EEPROM電路

超級(jí)電容是一種無源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流、快速充放電特性，同時(shí)也具有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長。超級(jí)電容能夠在很小的體積下實(shí)現(xiàn)法拉級(jí)的電容量，無須特別的充電電路和控制放電電路，適合為可編程器件提供掉電備用電源。本系統(tǒng)中選用松下公司的超級(jí)電容器EECF5R5U224，容量0.22F（5.5V），電路圖如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容電路及放電波形

V4的1端連接5V電源，V5的2端連接單片機(jī)和EEPROM的電源端。當(dāng)5V電源斷電時(shí)，超級(jí)電容C10為單片機(jī)和EEPROM供電。用示波器觀察斷電時(shí)超級(jí)電容兩端電壓，電壓從4.7V降低到1.475 V放電時(shí)間約330ms，足夠單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至EEPROM中。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行在MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)，軟件流程如圖6所示。傳感器上電后，首先讀取EEPROM中存儲(chǔ)的圈數(shù)信息并賦值，隨后對(duì)UX和UY兩路電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，計(jì)算、修正角度信息，計(jì)算圈數(shù)后通過串口發(fā)送；通過監(jiān)測(cè)電源電壓來判斷是否斷電，斷電時(shí)將圈數(shù)信息寫入EEPROM，如果未斷電則繼續(xù)采集電壓信息進(jìn)行角度和圈數(shù)的測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述原理制作了一臺(tái)磁電編碼器樣機(jī)，為了測(cè)試角度測(cè)量結(jié)果，與上海精浦公司生產(chǎn)的GAS60光電編碼器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，光電編碼器采用高精度刻線光學(xué)碼盤，單圈分辨率8 192線。將兩臺(tái)編碼器安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的同軸兩翼，進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，兩臺(tái)編碼器連接在PC機(jī)的測(cè)試軟件上，定時(shí)測(cè)量，對(duì)比兩臺(tái)編碼器的測(cè)試數(shù)據(jù)，誤差均小于0.2°。測(cè)量比較結(jié)果如表1所示（表中列舉部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

圖6 軟件流程圖

此外，進(jìn)行圈數(shù)的掉電存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)100次，圈數(shù)均得以保存。

5 結(jié)束語

利用霍爾效應(yīng)和超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)的非接觸式多圈角度傳感器成本低、測(cè)量范圍廣，與光學(xué)編碼器比較，不怕振動(dòng)、灰塵、潮濕，可經(jīng)受高低溫沖擊，這些特性在某些應(yīng)用領(lǐng)域，如精度要求不高但使用條件惡劣的情況下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)絕對(duì)值編碼器。

表1 測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)

［1］ 張珂，楊其華，李冰，等.基于霍爾器件的非接觸式角度傳感器研制［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（6）：981－984.

［2］ 田漢波，趙英俊.一種基于線性霍爾傳感器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法［J］.機(jī)械與電子，2007（1）：32－33.

［3］ 侯汝林.絕對(duì)式磁電編碼器通信接口研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012：1－2.

［4］ 王超，馬建倉.無盲角磁阻角度傳感器的研制［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（5），188－190.

［5］ 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.