基于磁电式角度传感器方案 生产成本, 传感器, 汽车, 机械, 工业

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1.引言
角度传感器广泛应用于汽车、机械、航空、航天、航海、工业自动化等领域。它主要分为接触式和非接触式两种，由于接触式的角度传感器随着使用时间的增长，会存在机械磨损、精度降低、经常维修甚至更换新设备等缺点，这不仅提高了生产成本还容易使被测设备的质量没保证，而非接触式角度传感器则克服了这些缺点。常用的非接触式角度传感器有光电式和磁电式的。光电式的虽然精度比磁电式的高，但对环境要求苛刻、抗震性也较差，因此也就不适用于环境较复杂的工业场所。正是基于这些问题，设计一种基于磁电式的角度传感器，它具有成本低廉，抗干扰性高，分辨力在0.5° 以内等优点。
2.系统总体设计原理
整个系统有四部分组成，分别为电源模块，磁传感器信号采集模块、微处理器模块、信号输出模块，硬件框图如图1所示。


磁传感器信号采集模块主要通过集成有双轴霍尔元件的集成芯片感知角度的变化，并以模拟信号或数字信号方式输出到微处理器中，经过一定的编码和解码，由微处理器输出工业用的电压或电流信号，或者以串口通信方式输出数字信号。为了减小系统的复杂度和误差来源，信号采集单元选择Melexis公司的MLX90316芯片。它属于CMOS霍尔传感器，可以输出与芯片表面平行的磁场相对应的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式输出数字信号，省去了A/D转换电路，这极大的减小了系统设计的复杂度。微处理模块选用Freescale公司的MC9S08DZ60,它是一款小体积、低成本、低功耗和较多外部接口的16位微处理器。
它具有24路12位的A/D通道、控制器区域网络(MSCAN)、串行外围设备接口模块(SPI)、串行通信接口(SCI/USART)、内部集成电路总线(IIC)等外设数字接口，很适合与外界进行数字信号通信。
3.机械结构设计
角度传感器的机械结构主要有三部分组成，分别为旋转轴、磁铁和检测电路。其结构如图2所示。


旋转轴、磁铁和传感器位置的机械偏差将决定系统测量的精确度。相比于理想的Sine和 Cosine 输出曲线，机械误差可以导致附加的电压偏移、相位偏移、幅度变化以及非线性误差等。
磁铁到传感器轴距的下限由饱和效应(电气或磁场)所决定，上限由信噪比、信号与偏移电压的比例来决定。
由于旋转轴在运动过程中产生的机械磨损以及震动产生的轴偏移位置都将导致角度输出信号的非线性，图3揭示了磁铁轴心的非线性度导致的角度误差。


由图3可知磁铁的轴心偏离的越大，最终输出的角度误差越大，因此要保证输出角度的精度，所选取的磁体的轴心的偏离度应满足一定的同心度。4.硬件电路设计
硬件电路的核心是磁传感器信号采集模块，它主要是利用磁传感器芯片MLX90316 来实现的，它可以把磁场的变化转化为角度信息。信号采集电路如图4所示。


MLX90316芯片是集成了Tria 度isTM型的CMOS霍尔传感器，当外加磁场的分量与芯片表面平行时则可输出两路正交磁场信息，根据这一特点可以获得对应的角度位置信息，它的内部结构如图5所示。


当小型磁铁(径向磁化)在芯片表面上方旋转时，MLX90316芯片内的集磁片(IMC)可以将平行作用于芯片表面的磁场集中起来，并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量，再通过两对位于 IMC下方的传统平面霍尔元件来检测此信号。这两对霍尔元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X轴和Y轴方向)，通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90°的正弦信号x V 和y V ,并正比于磁场强度。