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        基于磁敏元件的雙重糾錯絕對式編碼油缸設(shè)計

        2010-02-20 07:42:22
        裝備制造技術(shù) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)位活塞桿霍爾

        劉 毅

        (同濟大學(xué)機械電子研究所,上海200092)

        隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,采用微功耗的集成磁敏元件進行非接觸式測量,是傳感檢測技術(shù)的重要發(fā)展方向。針對長行程液壓缸的位移檢測,文獻[1]和文獻[2]提出了基于磁場強度測量的油缸位移測量方法。該方法采用一個線性霍爾元件,對油缸活塞桿齒槽內(nèi)的磁場強度進行測量,霍爾元件通過移位讀取絕對位置編碼。但是該方法需要模數(shù)轉(zhuǎn)化,初始運動較大一段距離后,才能讀數(shù)測量,并且按照幀重疊進行的編碼序列,不具有唯一性,這不利于編碼的標準化擴展。為解決上述問題,文獻[3]提出了一種利用磁敏元件陣列的數(shù)字式位移測試方法,在編碼識別中采用具有標識碼的間隔移位讀數(shù)方法,測量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸。但是,該方法的測量結(jié)果不能跨越兩個完整碼區(qū),所以不能進行碼值的逐位糾錯。本文使用微功耗集成霍爾元件TLE4913,設(shè)計一種基于以上基礎(chǔ)的雙重糾錯編譯碼油缸,通過編碼過程的碼區(qū)填充和譯碼過程的逐位糾錯,使測量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸的同時,提高位移測量過程的可靠性和抗干擾能力。該方法在長行程油缸位移測量中具有很高的性價比。

        1 磁敏元件的選擇

        磁場檢測所用的磁敏元件主要包括半導(dǎo)體磁阻和霍爾器件,它們都可以制成集成線性器件和開關(guān)器件。當作為開關(guān)器件使用時,選擇磁敏元件則主要關(guān)心磁敏元件的體積、測試探頭的尺寸以及探頭封裝的垂直度,磁敏元件的面積與被測磁場的面積相比越小,磁場檢測的分辨率和精度越高。

        如圖1所示為微功耗集成霍爾開關(guān)TLE4913,SC59-3-x貼片封裝,供電電壓2.4~5.5V,輸入電流1 μA,導(dǎo)通電流1 mA,長度和寬度均為3 mm,磁敏感區(qū)小于0.5 mm。該芯片價格便宜,內(nèi)部集成誤差補償和邏輯運算電路,抗干擾能力強,并且具有4 kV靜電保護,正常工作溫度為-40~85℃,適應(yīng)工程應(yīng)用中液壓油缸的作業(yè)環(huán)境。此外,該芯片工作電壓和功耗都很低,能夠適應(yīng)由電池直接供電的場合,如制成無線位移傳感器等。

        圖1 霍爾元件TLE4913結(jié)構(gòu)原理

        2 活塞桿編譯碼的設(shè)計

        2.1 活塞桿編碼原理

        工業(yè)工程領(lǐng)域中,長行程油缸作為執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用十分廣泛,特別是在大型、重型設(shè)備(如大型水閘提升設(shè)備、海洋工程、工程機械等)中,使用極其普遍。采用傳統(tǒng)方法對長行程油缸進行位移測量時,必須使用大量程的位移傳感器,如拉線式傳感器、磁致伸縮傳感器等,顯然既不經(jīng)濟,安裝十分困難,并且不能進行絕對位移測量。

        圖2 磁敏元件位移測試原理

        根據(jù)文獻[3]所述,采用如圖2所示的非接觸式測量結(jié)構(gòu)。在被測的鐵磁性材料工作部件(即油缸活塞桿)表面加工有凹槽和凸槽,上面噴涂有非磁性材料(如陶瓷)?;魻栐凑张帕蟹较蚺c活塞桿平行安裝,當相對活塞桿運動時,能夠檢測到凹凸部位不同的磁場強度。以單位寬度為b(mm)的凹槽表示數(shù)據(jù)位“0”或填充位,以單位寬度的凸槽表示數(shù)據(jù)位“1”或標志位,凹槽或凸槽的高度均為h(mm)。標志位用兩個連續(xù)的凸槽表示,相鄰兩個數(shù)據(jù)位之間,或者數(shù)據(jù)位與標志位之間,均有一個填充位。所以,在活塞桿表面任取一個碼段,出現(xiàn)連續(xù)凸槽的一定為標志位。另外,數(shù)據(jù)位的編碼規(guī)則采用格雷碼,因為格雷碼在相鄰兩個碼值轉(zhuǎn)化時,只有一位元素發(fā)生變化,可以減少邏輯混淆和實現(xiàn)糾錯。

        按照圖2所示的編碼方法,若活塞桿上每個碼段數(shù)據(jù)的位數(shù)為m,則每個碼段的長度為L=(2m+3)×b,可測量的活塞桿總長度為S=2m×(2m+3)×b。若槽寬b=2 mm,當m=6時,S=1 920 mm,當m=10時,S=47 104 mm。實際中,數(shù)據(jù)碼的位數(shù)由油缸的設(shè)計行程決定,數(shù)據(jù)碼位數(shù)每增加一位,可測量的油缸總行程將成倍增加。

        霍爾元件的排列覆蓋兩個碼段,這樣在任意時刻都能讀取一個完整的碼段。磁敏元件的排列方法,在一維范圍內(nèi)受元件尺寸的限制,軸間距應(yīng)>3 mm;在二維范圍內(nèi)受油缸軸徑的限制,徑向范圍排列以2~3組為宜。

        2.2 一維霍爾陣列的譯碼

        圖3 磁敏元件的一維排列結(jié)構(gòu)和滑動碼區(qū)

        按照一維直線排列霍爾元件,設(shè)數(shù)據(jù)位m=6,軸間距為N=4 mm,則碼段長度為L=30 mm,覆蓋兩個碼區(qū)需要16個霍爾元件,霍爾陣列平行與活塞桿。當活塞桿從左往右運動時,霍爾陣列每次讀取16位二進制序列,如圖3(a)所示。

        在X=X0時刻,霍爾陣列讀取到二進制序列為

        該序列中能夠找到或補全標識碼序列,因此能夠計算初始位移

        其中,D為標識碼的前置數(shù)值碼,t為標識碼右移的位數(shù),p根據(jù)標識碼完整與否取為0或者2,具體分析參照文獻[3]。但是,上述霍爾元件陣列讀取到的二進制序列是間隔的,因此不保證具有唯一性,所以初始讀數(shù)可能出現(xiàn)錯誤譯碼。

        在X=X0+b時刻,霍爾陣列讀取到二進制序列為

        將兩次讀取到的二進制序列錯一位合并成32位序列,即得到一段滑動碼區(qū)

        從該滑動碼區(qū)低位的某一位開始(記為k第位),總能找到兩組連續(xù)的“11”,即為標志位R,其中間的低12位部分即為數(shù)值碼(帶填充位的格雷碼,其十進制值記為D),如圖3(b)所示。因此,此時的位移

        以上方法使用了滑動碼區(qū),使測量分辨率小于霍爾陣列的軸間尺寸,所用霍爾元件較少。但是,間隔讀數(shù)所得的序列不具有唯一性,因此上電后第一次讀數(shù)可能出現(xiàn)誤讀。

        2.3 二維霍爾陣列的譯碼

        如圖4所示,按照二維平面排列兩組霍爾元件,PCB布線時使霍爾元件公共地在一條直線上。當活塞桿從左往右運動時,霍爾陣列每次讀取32位二進制序列,用同樣的方法判定標志位的位置,可求得活塞桿的位移l。

        圖4 磁敏元件的二維排列結(jié)構(gòu)

        二維排列使霍爾元件數(shù)量增加了一倍,但是每次讀數(shù)使用靜態(tài)碼區(qū),滑動碼區(qū)僅用于填充位和格雷碼規(guī)律雙重糾錯,因此實現(xiàn)了完全絕對式帶糾錯測量。

        2.4 活塞桿的測試實驗

        制作一段按照圖1所示編碼規(guī)律、編碼長度S=480的活塞桿,采用如圖3所示的譯碼和糾錯方式制作傳感器電路板,譯碼芯片采用XC164CS單片機,該芯片內(nèi)置CAN控制器,能夠為傳感器建立CAN總線接口。位移測量結(jié)果通過串口發(fā)送到計算機(如圖5所示),為活塞桿勻速運動和產(chǎn)生階躍時傳感器的跟蹤曲線。

        圖5 活塞桿運動測試曲線

        3 結(jié)束語

        利用磁敏元件絕對式編碼測量油缸位移,相對傳統(tǒng)接觸式和模擬測量方式而言,具有安裝方便、功耗低和可靠性高等特點,在長行程油缸絕對位移測量中具有良好的應(yīng)用前景。本文設(shè)計了一種使用霍爾開關(guān)TLE4913的編譯碼方案,在試制的油缸活塞桿上進行了實際測試,測試結(jié)果表明該編譯碼方案具有良好的測量精度和糾錯能力。

        [1]潘 峰,丁 凡.幀重疊編碼方法及其在行程傳感液壓缸磁性標尺中的應(yīng)用研究[J].儀器儀表學(xué)報,2003,24(4):364-367.

        [2]潘 峰,丁 凡.基于磁場測量的行程傳感液壓缸技術(shù)的研究[J].中國機械工程,2003,14(2):24-26,

        [3]陳耿彪,烏建中,王達華.基于磁敏傳感技術(shù)的位移測量編碼與識別[J].電子測量與儀器學(xué)報,2008,(22):483-485.

        [4]古松一.液壓缸活塞桿的陶瓷保護層和行程測量系統(tǒng)[J].水力發(fā)電,1995,(5):39-41.

        [5]龔向東,王 晨,喻開安.一種測量液壓油缸位移的新方法[J].機械與電子,1995,(4):7-8.

        [6]尚群立,殷玲玲.基于磁阻原理非接觸式位移測量的非線性方法[J].儀器儀表學(xué)報,2007,28(3):524-528.

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