一種基于磁電式的角度傳感器設計

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滿(mǎn)足一定的同心度。4.硬件電路設計

硬件電路的核心是磁傳感器信號采集模塊，它主要是利用磁傳感器芯片MLX90316 來(lái)實(shí)現的，它可以把磁場(chǎng)的變化轉化為角度信息。信號采集電路如圖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，根據這一特點(diǎn)可以獲得對應的角度位置信息，它的內部結構如圖5所示。

當小型磁鐵(徑向磁化)在芯片表面上方旋轉時(shí)，MLX90316芯片內的集磁片(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結構的邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量，再通過(guò)兩對位于 IMC下方的傳統平面霍爾元件來(lái)檢測此信號。這兩對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(guò)這樣的結構可以將實(shí)際角度編碼為兩個(gè)相位差為90°的正弦信號x V 和y V ,并正比于磁場(chǎng)強度。