基于MLX90316的磁性角度傳感器的設計方案

本方案中所設計的整個(gè)系統重點(diǎn)分析了信號采集模塊的實(shí)現原理和影響測量精度的機械結構，通過(guò)微處理器實(shí)現角度值的解算，在此基礎上編寫(xiě)軟件算法。實(shí)驗證明本方案所設計的角度傳感器的精度能達到0.5°，可廣泛運用于汽車(chē)、電機等工業(yè)領(lǐng)域中，滿(mǎn)足所要求的技術(shù)指標。

　　1.引言

　　角度傳感器廣泛應用于汽車(chē)、機械、航空、航天、航海、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。它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(zhù)使用時(shí)間的增長(cháng)，會(huì )存在機械磨損、精度降低、經(jīng)常維修甚至更換新設備等缺點(diǎn)，這不僅提高了生產(chǎn)成本還容易使被測設備的質(zhì)量沒(méi)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)境較復雜的工業(yè)場(chǎng)所。正是基于這些問(wèn)題，設計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?xún)鹊葍?yōu)點(diǎn)。

　　2.系統總體設計原理

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

　　磁傳感器信號采集模塊主要通過(guò)集成有雙軸霍爾元件的集成芯片感知角度的變化，并以模擬信號或數字信號方式輸出到微處理器中，經(jīng)過(guò)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，或者以串口通信方式輸出數字信號。為了減小系統的復雜度和誤差來(lái)源，信號采集單元選擇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)相對應的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式輸出數字信號，省去了A/D轉換電路，這極大的減小了系統設計的復雜度。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、控制器區域網(wǎng)絡(luò )（MSCAN）、串行外圍設備接口模塊（SPI）、串行通信接口（SCI/USART）、內部集成電路總線(xiàn)（IIC）等外設數字接口，很適合與外界進(jìn)行數字信號通信。

　　3.機械結構設計

　　角度傳感器的機械結構主要有三部分組成，分別為旋轉軸、磁鐵和檢測電路。其結構如圖2所示。

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

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

　　由于旋轉軸在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的機械磨損以及震動(dòng)產(chǎn)生的軸偏移位置都將導致角度輸出信號的非線(xiàn)性，圖3揭示了磁鐵軸心的非線(xiàn)性度導致的角度誤差。

　　由圖3可知磁鐵的軸心偏