基于巨磁阻測量原理的非接觸式角位移傳感器設計研究

黃璐 姜杰

【摘 ?要】介紹了一種基于巨磁阻測量原理的非接觸型角位移傳感器，該傳感器通過測磁芯片測量磁場強度隨位移的變化并解析，實現(xiàn)物體位移的非接觸測量。詳細介紹了傳感器的工作原理、測量原理、結(jié)構(gòu)設計等，并進行了傳感器的樣機驗證。該位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、可實現(xiàn)非接觸測量，可廣泛應用測量環(huán)境惡劣，且要求較高精度和可靠性的場合。

【關(guān)鍵詞】非接觸式;角位移傳感器;巨磁阻

引言

角位移測量廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等多個領(lǐng)域，在對應的控制系統(tǒng)中，角位移一般作為反饋信號實現(xiàn)系統(tǒng)的精準控制，其測量誤差的大小對整個系統(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式、機械式、電磁式等多種類型。機械測角技術(shù)出現(xiàn)較早，其優(yōu)點是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，能達到一定的測量精度，缺點是測量實時性比較差，自動化實現(xiàn)難度較高，且體積大，必須進行接觸式才能完成測量;傳統(tǒng)的電位計式角位移傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉而得到了廣泛應用，但該種傳感器對高溫、振動等環(huán)境抗干擾能力差，且輸出的電壓信號較小，一般需要后續(xù)放大電路進行處理。

本文設計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)設計、電路設計等，并對樣機進行驗證，證明了該傳感器的高精度、高可靠的特點。

1.傳感器的設計

1.1傳感器的工作原理

傳感器是通過轉(zhuǎn)動輸出軸帶動磁鋼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角度位移，從而導致磁場發(fā)生變化，通過測角芯片對磁場的變化進行解析，輸出與角度呈線性關(guān)系的數(shù)字信號脈沖量，經(jīng)過數(shù)字處理芯片對該信號量進行數(shù)字處理后通過CAN2.0A協(xié)議方式實時輸出。

1.2巨磁阻磁編碼器

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

當安裝在轉(zhuǎn)軸上磁鐵隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，巨磁阻感應單元VX和VY能夠檢測出平行于其表面的外界磁場變化，并分別輸出余弦和正弦信號。磁場信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，然后通過傳感器內(nèi)部CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）模塊進行反正切計算，得到所需要角度值，最后通過不同信號協(xié)議輸出角度等信息。

該設計實際應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，計算θ，把θ轉(zhuǎn)化為15位數(shù)字量存儲在角度值寄存器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，θ介于-180°～0°;

AVAL的值處于0x7FFF～0x4000時，θ介于0°～180°。

通過其輸出值與角度的對應關(guān)系可得：

測角芯片的輸出值每改變1，對應的輸出角度變化量為：

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

1.3結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)角度的間接測量，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，可以用于替代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電位計。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，磁鐵中心正對著位于中心的巨磁阻感應區(qū)域。當舵系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)軸帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，傳感器能夠檢測到平行于其封裝表面的磁場變化。這種設計優(yōu)點是電路以及機械結(jié)構(gòu)設計簡單，成本低，空間小。相比于光電編碼器，該設計還具有不易受灰塵、油污等污染優(yōu)點。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)帶來的誤差如PCB安裝、芯片貼片、磁鐵裝配以及轉(zhuǎn)軸徑向跳動等因素導致的額外系統(tǒng)誤差，選擇直徑較大的磁鐵，且安裝時磁鐵中心盡量正對著傳感器芯片中心巨磁阻感應區(qū)域。

1.4電路設計

（1）磁編碼傳感器與MCU接口電路設計。MCU與編碼器的接口電路中，使用SSC與8051的SPI接口通信，DSP工作在主動模式下，SPICLK與SCK相連，為通信提供時鐘信號，通用IO口與CSQ相連，控制SSC的數(shù)據(jù)傳輸，SPISIMO和SPISOMI同時與DATA相連，實現(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與傳感器進行數(shù)據(jù)通信。

（2）CAN總線通信控制電路。CAN總線具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強，成本低等優(yōu)點，同時使用CAN總線開發(fā)的器件使用簡單。

該模塊電路負責與系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理器進行數(shù)據(jù)通信，傳感器為主動節(jié)點，按照DSP設置的通信時間實時獲取舵軸的偏轉(zhuǎn)角度，通過該接口以及CAN通信協(xié)議發(fā)送到上位機用于系統(tǒng)閉環(huán)控制。同時接收控制系統(tǒng)的命令，時傳感器實現(xiàn)零位標定、ID設置和通信時間設置。

1.5軟件設計

傳感器采用非接觸式磁敏效應技術(shù)，通過CAN總線完成對伺服機構(gòu)反饋角位移數(shù)據(jù)的接收和控制，與上位機進行通訊，包括數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程。輸出的信號為數(shù)字信號，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+控制+數(shù)據(jù)長度標識+數(shù)據(jù)位+CRC校驗+ACK碼，其中數(shù)據(jù)需要通過編程實現(xiàn)，其余均為硬件自動處理。

2.樣機驗證

將傳感器樣機輸出軸與數(shù)字編碼器（8000分度）相連，調(diào)節(jié)編碼器，通過CAN總線監(jiān)測傳感器的輸出。當編碼器分別為：-5°、-30°、-90°、-150°、5°、30°、90°、150°時，傳感器去程分別為：-5.009°、-30.045°、-90.12°、-150.28°、5.008°、30.05°、90.15°、150.28°，對應的誤差為：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°，對應的誤差為：0.008°、0.05°、0.09°、0.25°、0.005°、0.06°、0.13°、0.24°。

根據(jù)樣機實測結(jié)果，行程范圍內(nèi)最大測量誤差為0.28°，誤差為0.18%。可得出：該傳感器具有很小的輸出線性度。

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)設計、電路設計等，并對樣機進行驗證，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)簡單、精度高、穩(wěn)定性好等特點，其非接觸式的測量方式使傳感器使用壽命大大提高，可應用于惡劣環(huán)境中。

參考文獻

[1] 王鵬，杜衛(wèi)東，呂志剛等.基于FPGA與FSM的高精度測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用， 2012，38（3）：77-79.

[2] 李凌，楊明，葉林.感應式非接觸角度傳感器電磁耦合系統(tǒng)設計[J].河北大學學報應用， 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量儀中應用[J].傳感技術(shù)學報， 2010，23（8）：1206-1210.

[4] 郭華玲，孟麗凡，馮偉.電位計式角位移傳感器測試系統(tǒng)動態(tài)性能研究[J].陜西科技大學學報， 2010，28（6）： 6-12.