磁電式角度傳感器的設(shè)計(jì)方案

角度傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種，由于接觸式的角度傳感器隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)存在機(jī)械磨損、精度降低、經(jīng)常維修甚至更換新設(shè)備等缺點(diǎn)，這不僅提高了生產(chǎn)成本還容易使被測(cè)設(shè)備的質(zhì)量沒保證，而非接觸式角度傳感器則克服了這些缺點(diǎn)。常用的非接觸式角度傳感器有光電式和磁電式的。光電式的雖然精度比磁電式的高，但對(duì)環(huán)境要求苛刻、抗震性也較差，因此也就不適用于環(huán)境較復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)所。正是基于這些問題，設(shè)計(jì)一種基于磁電式的角度傳感器，它具有成本低廉，抗干擾性高，分辨力在0.5° 以內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理

整個(gè)系統(tǒng)有四部分組成，分別為電源模塊，磁傳感器信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、信號(hào)輸出模塊，硬件框圖如圖1所示。

磁傳感器信號(hào)采集模塊主要通過集成有雙軸霍爾元件的集成芯片感知角度的變化，并以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)方式輸出到微處理器中，經(jīng)過一定的編碼和解碼，由微處理器輸出工業(yè)用的電壓或電流信號(hào)，或者以串口通信方式輸出數(shù)字信號(hào)。為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜度和誤差來(lái)源，信號(hào)采集單元選擇Melexis公司的MLX90316芯片。它屬于CMOS霍爾傳感器，可以輸出與芯片表面平行的磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式輸出數(shù)字信號(hào)，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，這極大的減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。微處理模塊選用Freescale公司的MC9S08DZ60,它是一款小體積、低成本、低功耗和較多外部接口的16位微處理器。

它具有24路12位的A/D通道、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(MSCAN)、串行外圍設(shè)備接口模塊(SPI)、串行通信接口(SCI/USART)、內(nèi)部集成電路總線(IIC)等外設(shè)數(shù)字接口，很適合與外界進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信。

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

角度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有三部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和檢測(cè)電路。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和傳感器位置的機(jī)械偏差將決定系統(tǒng)測(cè)量的精確度。相比于理想的Sine和 Cosine 輸出曲線，機(jī)械誤差可以導(dǎo)致附加的電壓偏移、相位偏移、幅度變化以及非線性誤差等。

磁鐵到傳感器軸距的下限由飽和效應(yīng)(電氣或磁場(chǎng))所決定，上限由信噪比、信號(hào)與偏移電壓的比例來(lái)決定。

由于旋轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)械磨損以及震動(dòng)產(chǎn)生的軸偏移位置都將導(dǎo)致角度輸出信號(hào)的非線性，圖3揭示了磁鐵軸心的非線性度導(dǎo)致的角度誤差。

由圖3可知磁鐵的軸心偏離的越大，最終輸出的角度誤差越大，因此要保證輸出角度的精度，所選取的磁體的軸心的偏離度應(yīng)滿足一定的同心度。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的核心是磁傳感器信號(hào)采集模塊，它主要是利用磁傳感器芯片MLX90316 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它可以把磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為角度信息。信號(hào)采集電路如圖4所示。

MLX90316芯片是集成了Tria 度isTM型的CMOS霍爾傳感器，當(dāng)外加磁場(chǎng)的分量與芯片表面平行時(shí)則可輸出兩路正交磁場(chǎng)信息，根據(jù)這一特點(diǎn)可以獲得對(duì)應(yīng)的角度位置信息，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

當(dāng)小型磁鐵(徑向磁化)在芯片表面上方旋轉(zhuǎn)時(shí)，MLX90316芯片內(nèi)的集磁片(IMC)可以將平行作用于芯片表面的磁場(chǎng)集中起來(lái)，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量，再通過兩對(duì)位于 IMC下方的傳統(tǒng)平面霍爾元件來(lái)檢測(cè)此信號(hào)。這兩對(duì)霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X軸和Y軸方向)，通過這樣的結(jié)構(gòu)可以將實(shí)際角度編碼為兩個(gè)相位差為90°的正弦信號(hào)x V 和y V ,并正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。

這兩路霍爾信號(hào)將通過一個(gè)完全差分、帶有經(jīng)典偏移消除技術(shù)的模擬處理鏈進(jìn)行放大、采樣。調(diào)節(jié)后的模擬信號(hào)再通過ADC(可編程為14bits或15bits)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后這兩個(gè)數(shù)字信號(hào)再通過芯片內(nèi)部的由DSP實(shí)現(xiàn)的反正切函數(shù)計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算角度，計(jì)算公式為：

實(shí)際中x V 和y V 還存在式(1)所示的誤差表達(dá)式：

MLX90316的偏移誤差、靈敏度誤差和垂直度誤差都會(huì)對(duì)輸出的角度信息產(chǎn)生較大的影響。雖然芯片內(nèi)部使用了動(dòng)態(tài)偏移電壓消除機(jī)制，并且可以在一定程度上通過芯片內(nèi)置的DSP 模塊來(lái)調(diào)整它們之間的正交性，但這些誤差仍會(huì)反應(yīng)在傳感器的輸出信號(hào)上。通常由芯片本身所產(chǎn)生的誤差在0.3度以內(nèi)。

傳感器輸出的表征當(dāng)前角度值的信號(hào)可以以串行數(shù)字通信(SPI)方式輸出，也可再通過D/A轉(zhuǎn)換器變回模擬信號(hào)，以PWM模式或模擬量形式輸出。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，避免了模擬輸入帶來(lái)的額外誤差源。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于MLX90316所獲得的角度信息是以SPI模式輸出的，因此程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是SPI通信的實(shí)現(xiàn)。SP總線接口是一種同步串行外設(shè)接口它是是一種由4根信號(hào)線構(gòu)成的串行接口協(xié)議。這4根信號(hào)線分別是：時(shí)鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO)、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設(shè)備使能線(SS)。SPI接口中，MC9S08DZ60作為主控端，MLX90316作為從屬端。SPI通信模塊主要讓 MC9S08DZ606讀MLX90316輸出的數(shù)字信號(hào)。

SPI的通信過程為：主控端先輸出一個(gè)0xAA以及一個(gè)0xFF作為通信起始信號(hào)，接著輸出8個(gè)0xFF,而從端會(huì)同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4個(gè)字節(jié)的角度信號(hào)以及4個(gè)0xFF,從而完成一次數(shù)據(jù)通信。具體的通信時(shí)序如圖6所示，軟件流程如圖(7)所示。

5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上理論分析和實(shí)際測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，角度θ 的誤差在0.5度以內(nèi)，滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)。

6、結(jié)論

本文在為實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下角度值的測(cè)量的基礎(chǔ)上，介紹了一款基于MLX90316的非接觸式、低成本、高分辨率，高抗干擾的磁性角度傳感器的設(shè)計(jì)方案。方案利用霍爾傳感器MLX90316所設(shè)計(jì)的磁性角度傳感器具有非接觸式、高精度、高抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路的分析，找出誤差來(lái)源，在此基礎(chǔ)上編寫軟件算法，實(shí)現(xiàn)角度值的測(cè)量， 精度能達(dá)到0.5°，滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)，可廣泛運(yùn)用于汽車、電機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中。