磁敏元件MLX90363的多圈智能轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)計(jì)*

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(北京科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京 100083)

引 言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)角度的單圈測(cè)量已經(jīng)不能滿足工業(yè)應(yīng)用和需求，為此設(shè)計(jì)出能夠檢測(cè)多圈的角度傳感器，能夠應(yīng)用于車輛電控技術(shù)中。車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分[1]。轉(zhuǎn)角傳感器為ESP 系統(tǒng)和EPS 系統(tǒng)提供了角度信息[2]。轉(zhuǎn)角傳感器計(jì)算角度的準(zhǔn)確性和駕駛安全密切相關(guān)，主要有滑動(dòng)電阻式、磁感應(yīng)式和光電式等幾種[3]。MLX90363是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電式角度傳感器,具有非接觸、成本低、抗干擾性高等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)非接觸角度傳感器的研究具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)角傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器一般安裝在方向盤轉(zhuǎn)向管柱上。在轉(zhuǎn)向管柱上固定有轉(zhuǎn)向柱齒輪，轉(zhuǎn)向柱齒輪和兩個(gè)小齒輪嚙合。轉(zhuǎn)向柱齒輪和方向盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)小磁鐵分別固定安裝在兩個(gè)從動(dòng)齒輪中間，當(dāng)小磁鐵隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小磁鐵磁通密度的變化可以被磁鐵正上方2 cm處的 MLX90363檢測(cè)到，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)角的輸出信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)SPI串行通信的方式輸出數(shù)字信號(hào)，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，極大地減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。并且在SPI模式下，MLX90363輸出的數(shù)據(jù)為14位，能夠?yàn)榻嵌葴y(cè)量提供更高的精確度。

2 傳感器的電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由4部分組成，分別為電源模塊、信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、CAN總線通信模塊。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 MLX90363 芯片簡(jiǎn)介

MLX90363是一款運(yùn)用 TriaxisTM (三軸)霍爾技術(shù)的獨(dú)立傳感器芯片。TriaxisTM三軸霍爾傳感器既可以感應(yīng)垂直方向，又可以感應(yīng)與芯片表面平行的磁場(chǎng)強(qiáng)度[4]。芯片內(nèi)部集成原始信號(hào)處理模塊、 DSP 微處理器模塊和SPI輸出模塊。為了滿足設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等要求，這里選擇的是SPI輸出模式，避免了模擬輸出帶來(lái)的額外誤差。在SPI通信中MLX90363芯片作為從屬節(jié)點(diǎn)，單片機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)。SPI通信需要4根線：NSS(決定設(shè)備是主節(jié)點(diǎn)還是從屬節(jié)點(diǎn))、SCLK(時(shí)鐘線)、MOSI、MISO。最后通過(guò)對(duì)該芯片進(jìn)行預(yù)編程處理， 把源數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于0～16 384的5位數(shù)輸出。

2.2 微處理器模塊

在此次研究設(shè)計(jì)中，考慮到成本、程序容量等因素，最終選擇了這款中等容量的單片機(jī)STM32F103C8T6。它擁有64 KB的FLASH存儲(chǔ)器、20 KB隨機(jī)存儲(chǔ)、3個(gè)通用定時(shí)器。而且擁有豐富的外設(shè)資源及I/O口資源：2個(gè)SPI通信接口、37個(gè)GPIO口、1個(gè)CAN總線接口等相關(guān)外設(shè)，工作電壓范圍為2.0～3.6 V(使用3.3 V供電)，使用的封裝類型為L(zhǎng)QFP48。本實(shí)驗(yàn)中需要2個(gè)SPI通信接口和1個(gè)CAN總線接口，STM32F103C8T6芯片正好滿足設(shè)計(jì)需求，不會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且引腳個(gè)數(shù)少，價(jià)格便宜，擁有極強(qiáng)的市場(chǎng)口碑，開發(fā)難度低，可靠性強(qiáng)，在工業(yè)控制和汽車控制中應(yīng)用廣泛。

2.3 電源模塊電路

TLE4269是一款輸入電壓最大可達(dá)45 V，輸出電壓為5 V，可驅(qū)動(dòng)150 mA負(fù)載的電源芯片，車載電源一般是12 V ，使用TLE4269電源芯片，很好地解決了在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間汽車電壓過(guò)大的問(wèn)題。輸出的5 V電壓給角度傳感器芯片MLX90363供電，再將5 V電壓降為3.3 V，為微控制器供電。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 12 V轉(zhuǎn)5 V電源轉(zhuǎn)換電路

2.4 MLX90363數(shù)據(jù)采集電路

硬件電路設(shè)計(jì)的核心是磁傳感器信號(hào)采集模塊，將兩路MLX90363采集到的SPI信號(hào)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部算法處理，分別計(jì)算出兩個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)角度后，最終計(jì)算出轉(zhuǎn)向柱齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 MLX90363數(shù)據(jù)采集電路

2.5 CAN 通信電路

STM32F103C8T6內(nèi)嵌 CAN 控制模塊， 總線數(shù)據(jù)的封裝可在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，而單片機(jī)只需外接 CAN 總線收發(fā)器PCA82C251 即可。同時(shí)，為了避免汽車的電源電壓不穩(wěn)定對(duì)電路造成的影響，增強(qiáng)CAN總線抗外界干擾的能力，采取了以下兩項(xiàng)措施，首先是在微控制器的CANTX與CANRX通過(guò)兩個(gè)高速光電耦合器6N137與82C251連接，能夠很好地實(shí)現(xiàn)CAN總線電路上節(jié)點(diǎn)之間的隔離；其次是在電源部分使用電源模塊B1209S，對(duì)光電耦合采用的兩個(gè)電源隔離。這樣光電耦合電路才能起到作用。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信接口電路

3 傳感器的軟件設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖

整個(gè)系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計(jì)思路為：轉(zhuǎn)角傳感器安裝在轉(zhuǎn)向管柱上之后，使方向盤處于回正位置，利用CAN總線的發(fā)送中斷將此時(shí)的位置記為絕對(duì)零點(diǎn)，將此值存在FLASH中。之后每次上電后，首先從FLASH中讀取絕對(duì)零點(diǎn)的值，然后讀取 MLX90363輸出的轉(zhuǎn)角信號(hào)，將讀取出的角度減去絕對(duì)零點(diǎn)的角度值即為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，之后利用相對(duì)轉(zhuǎn)角計(jì)算出方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在定時(shí)器中每隔500 ms，將數(shù)據(jù)以CAN信號(hào)的形式發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖6 轉(zhuǎn)向柱齒輪的角度與兩個(gè)從動(dòng)齒輪角度之間的關(guān)系

MLX90363能夠測(cè)量的角度范圍為0～360°，而要檢測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為多圈(±720°)，利用雙磁鐵和安裝在磁鐵正上方的雙角度傳感器MLX90363，可以使角度監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大。本系統(tǒng)中，選擇轉(zhuǎn)向柱大齒輪齒數(shù)MA與兩個(gè)從動(dòng)小齒輪的齒數(shù)MB、MC，分別為MA=70，MB=18，MC=17。轉(zhuǎn)向柱大齒輪單向轉(zhuǎn)動(dòng)0～1600°(可實(shí)現(xiàn)雙向±800°的角度監(jiān)測(cè))，兩個(gè)檢測(cè)從動(dòng)齒輪的角度的MLX90363輸出的角度信號(hào)如圖6所示，由圖可見(jiàn)，輸出信號(hào)是兩列頻率不同的鋸齒波。

將兩個(gè)從動(dòng)齒輪的產(chǎn)生的頻率不同的鋸齒波的角度作差值運(yùn)算后，如圖7所示。由圖可知：在方向盤單向轉(zhuǎn)動(dòng)0～1600°范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向柱齒輪的角度和兩個(gè)從動(dòng)齒輪的差值能實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。編寫算法便能計(jì)算出方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖7 轉(zhuǎn)向柱齒輪的角度與兩個(gè)從動(dòng)齒輪差值之間的關(guān)系

當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分別讀取兩個(gè)MLX90363采集到的角度值，計(jì)算出它們的相對(duì)轉(zhuǎn)角后，對(duì)兩個(gè)從動(dòng)齒輪的相對(duì)角度作差，當(dāng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪角度的差值為負(fù)數(shù)時(shí)，將此位置處從動(dòng)齒輪角度的差值加360°，使轉(zhuǎn)向柱齒輪的角度與兩個(gè)從動(dòng)齒輪差值成為一條光順的、斜率相同的直線，如圖8所示。利用此直線求出方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖8 算法處理后，轉(zhuǎn)向柱齒輪的角度與兩個(gè)從動(dòng)齒輪差值之間的關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

每隔20°測(cè)試一組數(shù)據(jù)，在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)±720°的范圍內(nèi)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度和誤差的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，該方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的誤差達(dá)到了±2.5°，基本符合方向盤轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)際中的應(yīng)用需求。造成該誤差的原因：一是齒輪自身的精度帶來(lái)的，經(jīng)過(guò)測(cè)試，齒輪的嚙合的精度為1.5°，這是造成角度誤差的主要來(lái)源；二是由于磁鐵的中心和MLX90363的感應(yīng)區(qū)域的中心不在一條直線上，會(huì)造成角度計(jì)算的誤差。

圖9 角度誤差

結(jié) 語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

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李彩琦(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)。