黃璐 姜杰

【摘 ?要】介紹了一種基于巨磁阻測(cè)量原理的非接觸型角位移傳感器，該傳感器通過(guò)測(cè)磁芯片測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度隨位移的變化并解析，實(shí)現(xiàn)物體位移的非接觸測(cè)量。詳細(xì)介紹了傳感器的工作原理、測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并進(jìn)行了傳感器的樣機(jī)驗(yàn)證。該位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，可廣泛應(yīng)用測(cè)量環(huán)境惡劣，且要求較高精度和可靠性的場(chǎng)合。

【關(guān)鍵詞】非接觸式;角位移傳感器;巨磁阻

引言

角位移測(cè)量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，在對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)中，角位移一般作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，其測(cè)量誤差的大小對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制精度高低起到關(guān)鍵性作用。

目前常用的角位移傳感器有光學(xué)式、機(jī)械式、電磁式等多種類型。機(jī)械測(cè)角技術(shù)出現(xiàn)較早，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能達(dá)到一定的測(cè)量精度，缺點(diǎn)是測(cè)量實(shí)時(shí)性比較差，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難度較高，且體積大，必須進(jìn)行接觸式才能完成測(cè)量;傳統(tǒng)的電位計(jì)式角位移傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而得到了廣泛應(yīng)用，但該種傳感器對(duì)高溫、振動(dòng)等環(huán)境抗干擾能力差，且輸出的電壓信號(hào)較小，一般需要后續(xù)放大電路進(jìn)行處理。

本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式角位移傳感器，首先介紹了傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該傳感器的高精度、高可靠的特點(diǎn)。

1.傳感器的設(shè)計(jì)

1.1傳感器的工作原理

傳感器是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出軸帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角度位移，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)角芯片對(duì)磁場(chǎng)的變化進(jìn)行解析，輸出與角度呈線性關(guān)系的數(shù)字信號(hào)脈沖量，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理芯片對(duì)該信號(hào)量進(jìn)行數(shù)字處理后通過(guò)CAN2.0A協(xié)議方式實(shí)時(shí)輸出。

1.2巨磁阻磁編碼器

巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)由兩組惠斯通電橋構(gòu)成，分別為反映外界磁場(chǎng)余弦變化的VX巨磁阻感應(yīng)單元和反映外界磁場(chǎng)正弦變化的VY巨磁阻感應(yīng)單元。VX和VY巨磁阻感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)類似，只是參考層磁化方向不同。

當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸上磁鐵隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，巨磁阻感應(yīng)單元VX和VY能夠檢測(cè)出平行于其表面的外界磁場(chǎng)變化，并分別輸出余弦和正弦信號(hào)。磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)傳感器內(nèi)部CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）模塊進(jìn)行反正切計(jì)算，得到所需要角度值，最后通過(guò)不同信號(hào)協(xié)議輸出角度等信息。

該設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中需要注意磁鋼與芯片尺寸的配合、磁鋼充磁方向、磁鋼與芯片表面的高度以及同心度。兩個(gè)惠斯通橋的輸出電壓x、y，分別代表θ的余弦值和正弦值.芯片內(nèi)部處理電路根據(jù)以x、y，計(jì)算θ，把θ轉(zhuǎn)化為15位數(shù)字量存儲(chǔ)在角度值寄存器AVAL（angle value register）中，角度值數(shù)字量與θ呈分段線性關(guān)系：

AVAL的值處于0～0x3FFF時(shí)，θ介于-180°～0°;

AVAL的值處于0x7FFF～0x4000時(shí)，θ介于0°～180°。

通過(guò)其輸出值與角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得：

測(cè)角芯片的輸出值每改變1，對(duì)應(yīng)的輸出角度變化量為：

在穩(wěn)定磁場(chǎng)下，測(cè)角芯片的輸出值變化量不超過(guò)2，則在穩(wěn)定磁場(chǎng)下測(cè)角芯片的輸出精度為0.011°×2=0.022°。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)角度的間接測(cè)量，傳感器輸出轉(zhuǎn)軸直接與舵軸連接，磁鋼置于輸出軸的另一端，巨磁阻用于角度檢測(cè)，可以用于替代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。磁鐵裝配在轉(zhuǎn)軸上，安裝有傳感器的PCB固定在傳感器內(nèi)部，磁鐵中心正對(duì)著位于中心的巨磁阻感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)舵系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器能夠檢測(cè)到平行于其封裝表面的磁場(chǎng)變化。這種設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，空間小。相比于光電編碼器，該設(shè)計(jì)還具有不易受灰塵、油污等污染優(yōu)點(diǎn)。和基于霍爾原理的磁性角度傳感器相比，基于巨磁阻原理的傳感器精度更高。

為了減小由安裝或者生產(chǎn)帶來(lái)的誤差如PCB安裝、芯片貼片、磁鐵裝配以及轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)等因素導(dǎo)致的額外系統(tǒng)誤差，選擇直徑較大的磁鐵，且安裝時(shí)磁鐵中心盡量正對(duì)著傳感器芯片中心巨磁阻感應(yīng)區(qū)域。

1.4電路設(shè)計(jì)

（1）磁編碼傳感器與MCU接口電路設(shè)計(jì)。MCU與編碼器的接口電路中，使用SSC與8051的SPI接口通信，DSP工作在主動(dòng)模式下，SPICLK與SCK相連，為通信提供時(shí)鐘信號(hào)，通用IO口與CSQ相連，控制SSC的數(shù)據(jù)傳輸，SPISIMO和SPISOMI同時(shí)與DATA相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。為控制方便，可以使用MCU的普通IO口模擬SPI與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（2）CAN總線通信控制電路。CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使用CAN總線開(kāi)發(fā)的器件使用簡(jiǎn)單。

該模塊電路負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳感器為主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，按照DSP設(shè)置的通信時(shí)間實(shí)時(shí)獲取舵軸的偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)該接口以及CAN通信協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)用于系統(tǒng)閉環(huán)控制。同時(shí)接收控制系統(tǒng)的命令，時(shí)傳感器實(shí)現(xiàn)零位標(biāo)定、ID設(shè)置和通信時(shí)間設(shè)置。

1.5軟件設(shè)計(jì)

傳感器采用非接觸式磁敏效應(yīng)技術(shù)，通過(guò)CAN總線完成對(duì)伺服機(jī)構(gòu)反饋角位移數(shù)據(jù)的接收和控制，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，包括數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過(guò)程。輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，符合CAN協(xié)議，CAN總線采用普通數(shù)據(jù)幀，一幀數(shù)據(jù)包括幀頭+ID號(hào)+控制+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)+數(shù)據(jù)位+CRC校驗(yàn)+ACK碼，其中數(shù)據(jù)需要通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，其余均為硬件自動(dòng)處理。

2.樣機(jī)驗(yàn)證

將傳感器樣機(jī)輸出軸與數(shù)字編碼器（8000分度）相連，調(diào)節(jié)編碼器，通過(guò)CAN總線監(jiān)測(cè)傳感器的輸出。當(dāng)編碼器分別為：-5°、-30°、-90°、-150°、5°、30°、90°、150°時(shí)，傳感器去程分別為：-5.009°、-30.045°、-90.12°、-150.28°、5.008°、30.05°、90.15°、150.28°，對(duì)應(yīng)的誤差為：0.009°、0.045°、0.12°、0.28°、0.008°、0.05°、0.15°、0.28°，傳感器回程分別為：-5.008°、-30.05°、-90.09°、-150.25°、4.995°、30.06°、90.13°、150.24°，對(duì)應(yīng)的誤差為：0.008°、0.05°、0.09°、0.25°、0.005°、0.06°、0.13°、0.24°。

根據(jù)樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果，行程范圍內(nèi)最大測(cè)量誤差為0.28°，誤差為0.18%?？傻贸觯涸搨鞲衅骶哂泻苄〉妮敵鼍€性度。

3.結(jié)論

本文介紹了一種非接觸式角位移傳感器，分析了傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，體現(xiàn)了基于巨磁阻原理的非接觸式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其非接觸式的測(cè)量方式使傳感器使用壽命大大提高，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鵬，杜衛(wèi)東，呂志剛等.基于FPGA與FSM的高精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用， 2012，38（3）：77-79.

[2] 李凌，楊明，葉林.感應(yīng)式非接觸角度傳感器電磁耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)應(yīng)用， 2013，33（6）：661-666.

[3] 鄧宏貴，吳讓亮，施佳佳.數(shù)字角度傳感器在建筑角度測(cè)量?jī)x中應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2010，23（8）：1206-1210.

[4] 郭華玲，孟麗凡，馮偉.電位計(jì)式角位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010，28（6）： 6-12.