基于一種非接觸式低成本高分辨率高抗干擾的磁性角度傳感器設(shè)計

為實現(xiàn)惡劣環(huán)境下角度值的測量，分析了各類角度傳感器的優(yōu)缺點，本文介紹了一款基于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)計方案。

本方案中所設(shè)計的整個系統(tǒng)重點分析了信號采集模塊的實現(xiàn)原理和影響測量精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過微處理器實現(xiàn)角度值的解算，在此基礎(chǔ)上編寫軟件算法。實驗證明本方案所設(shè)計的角度傳感器的精度能達(dá)到0.5°，可廣泛運用于汽車、電機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中，滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)。

1.引言

角度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空、航天、航海、工業(yè)自動化等領(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使用時間的增長，會存在機(jī)械磨損、精度降低、經(jīng)常維修甚至更換新設(shè)備等缺點，這不僅提高了生產(chǎn)成本還容易使被測設(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。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(fù)雜的工業(yè)場所。正是基于這些問題，設(shè)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°以內(nèi)等優(yōu)點。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計原理

整個系統(tǒng)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(shù)字信號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，或者以串口通信方式輸出數(shù)字信號。為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜度和誤差來源，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相對應(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，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，這極大的減小了系統(tǒng)設(shè)計的復(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)字信號通信。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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）所決定，上限由信噪比、信號與偏移電壓的比例來決定。

由于旋轉(zhuǎn)軸在運動過程中產(chǎn)生的機(jī)械磨損以及震動產(chǎn)生的軸偏移位置都將導(dǎo)致角度輸出信號的非線性，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。

4.硬件電路設(shè)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來實現(xiàn)的，它可以把磁場的變化轉(zhuǎn)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(dāng)外加磁場的分量與芯片表面平行時則可輸出兩路正交磁場信息，根據(jù)這一特點可以獲得對應(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，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集中起來，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場的垂直分量，再通過兩對位于IMC下方的傳統(tǒng)平面霍爾元件來檢測此信號。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），通過這樣的結(jié)構(gòu)可以將實際角度編碼為兩個相位差為90°的正弦信號x V和y V ，并正比于磁場強度。

這兩路霍爾信號將通過一個完全差分、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)后的模擬信號再通過ADC（可編程為14bits或15bits）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后這兩個數(shù)字信號再通過芯片內(nèi)部的由DSP實現(xiàn)的反正切函數(shù)計算模塊來計算角度，計算公式為：

實際中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對輸出的角度信息產(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模塊來調(diào)整它們之間的正交性，但這些誤差仍會反應(yīng)在傳感器的輸出信號上。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，以PWM模式或模擬量形式輸出。為了滿足設(shè)計電路的結(jié)構(gòu)簡單、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的額外誤差源。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)計的關(guān)鍵就是SPI通信的實現(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根信號線構(gòu)成的串行接口協(xié)議。這4根信號線分別是：時鐘線（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。

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

6.實驗驗證

基于以上理論分析和實際測量，實測數(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)。

7.結(jié)論

本文在為實現(xiàn)惡劣環(huán)境下角度值的測量的基礎(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)計方案。方案利用霍爾傳感器MLX90316所設(shè)計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。通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路的分析，找出誤差來源，在此基礎(chǔ)上編寫軟件算法，實現(xiàn)角度值的測量，精度能達(dá)到0.5°，滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)，可廣泛運用于汽車、電機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中。

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