曹 宇,翁惠輝,陳永軍

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州434023)

馮 定

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

傳統(tǒng)的測量角度裝置,一般由帶通孔的轉(zhuǎn)盤外加2支正交安裝的光電傳感器或機(jī)械齒軸外加正交安裝的磁感應(yīng)傳感器測試,實(shí)現(xiàn)對機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度的檢測。在這種機(jī)構(gòu)下要提高測量精度必需加大轉(zhuǎn)盤或齒輪的尺寸,筆者針對高造斜分支鉆井井下工具空間小的特殊環(huán)境,提出基于多傳感器差分的旋轉(zhuǎn)角度檢測方法,即在有限齒輪不增加齒數(shù)的條件下,靠增加傳感器個數(shù)方式來提高控制精度,并選用體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的KMI16/1霍爾傳感器作為感測元件,以美國微芯公司的dsPIC30F4013單片機(jī)為主構(gòu)成角度測量方法,實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角度的高精度檢測。

1 霍爾傳感器KM16/1的工作原理

KMI16/1芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC,其組成原理如圖 1所示。它利用IC來完成信號變換功能,其輸出的電流信號頻率與被測角度成正比,電流信號的變化幅度為7～14mA。由于其外圍電路比較簡單,因而很容易配二次儀表測量角度。傳感器的測量范圍寬,靈敏度高,齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是0～25k Hz,傳感器和被測物的距離最大磁感應(yīng)距離為2.9mm,同時該傳感器抗干擾能力強(qiáng),同時具有方向性,對軸向振動不敏感[1]。

圖1 霍爾傳感器組成原理

2 旋轉(zhuǎn)角度傳感器差分檢測方法

高造斜分支鉆井井下工具的導(dǎo)向裝置主要是依靠內(nèi)部的2個偏心環(huán)完成導(dǎo)向鉆進(jìn),通過檢測和控制2偏心環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度,達(dá)到導(dǎo)向鉆進(jìn)的目的。

偏心環(huán)共有45個凹凸齒,每個齒面4°。實(shí)現(xiàn)1°的檢測精度要求在1個齒面上安裝4個傳感器,基于機(jī)械安裝難度,采用如圖2所示的差分安裝。圖中A,B,C,D分別為4支KMI16/1霍爾傳感器,差分安裝具體位置如下:傳感器A中心線與齒端差0°;傳感器B中心線與齒端相差1°;傳感器C中心線與齒端相差2°;傳感器D中心線與齒端相差3°。

圖2 機(jī)械安裝原理圖

圖3 順時針檢測波形圖

當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)1°時,傳感器 A正好與凸齒面錯開,磁力線被屏蔽 (分流),傳感器A首次跳變?yōu)榈碗娖?當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)2°時,傳感器 A,B與凸齒面錯開,傳感器A產(chǎn)生電流保持在低電平,傳感器B首次跳變?yōu)榈碗娖?當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)3°時,傳感器 A,B,C與凸齒面錯開,傳感器A,B保持在低電平,傳感器C首次跳變?yōu)榈碗娖?當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)4°時,傳感器A,B,C與凸齒面錯開,傳感器A,B,C保持在低電平,傳感器D首次跳變?yōu)榈碗娖?當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)5°時,傳感器A中心線與凸齒端對正,傳感器A產(chǎn)生的信號由低變高,傳感器B,C,D與凸齒面錯開,傳感器B,C,D保持在低電平;當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)6°時,傳感器A中心線與凸齒面對正,傳感器A產(chǎn)生的信號繼續(xù)保持高電平,傳感器B中心線與凸齒端對正,傳感器B產(chǎn)生的信號由低變高,傳感器C、D與凸齒面錯開,傳感器C、D產(chǎn)生的信號保持在低電平;當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)7°時,傳感器A,B中心線與凸齒面對正,傳感器A,B產(chǎn)生的信號繼續(xù)保持高電平,傳感器C中心線與凸齒端對正,傳感器C產(chǎn)生的信號由低變高,傳感器D與凸齒面錯開,傳感器D產(chǎn)生的信號保持在低電平;當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)8°時,傳感器A,B,C與凸齒面對正,傳感器A,B,C產(chǎn)生的信號繼續(xù)保持高電平,傳感器D中心線與凸齒端對正,傳感器D產(chǎn)生的信號由低變高。依此類推,凹凸齒面?zhèn)鞲衅鞯奶冃盘柟灿?個,其角度檢測的精度達(dá)到1°。具體檢測波形如圖3所示。同理可推出逆向旋轉(zhuǎn)時的檢測波形,如圖4所示。

圖4 逆時針檢測波形圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

角度檢測系統(tǒng)的內(nèi)核為美國微芯的dsPIC30F4013單片機(jī),dsPIC30F4013是MIROCHIP公司專門為數(shù)字信號高速采集與控制所設(shè)計(jì)的1種16位微處理器,具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力,所有的輸入端口都是施密特觸發(fā)輸入,可以提高器件的抗噪音干擾能力。它具有以下基本特點(diǎn)[3]:①1個16位CPU和1個DSP內(nèi)核;②當(dāng)內(nèi)部時鐘頻率為最高120MHz時,進(jìn)行1次16位乘法運(yùn)算為8.3ns;③包括2048字節(jié)的寄存器RAM、48KB的片內(nèi)程序空間、1024字節(jié)的EEPROM;④中斷7個、I/O口共21條I/O口線;⑤1路全雙工的UART功能模塊、1個同步串行SPI功能模塊、1個 I2C串行通訊模塊和 1個 CAN串行通訊模塊;⑥片內(nèi)設(shè)有1個6通道的A/D轉(zhuǎn)換器,工作在 10位模式,采樣保持時間、轉(zhuǎn)換時間、閥值檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程;⑦5個16位定時器;有4路捕捉器、2路比較/標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制單元 (PWM)模塊。DIP封裝引腳圖如圖5所示。

圖5 DIP封裝引腳圖

圖6 數(shù)字信號控制器與KMI16/1電氣連接圖

圖7 控制程序流程圖

該數(shù)字信號控制器的I/O口具有復(fù)用功能,復(fù)用了輸入電平變化中斷模式,使dsPIC30F4013器件能夠向處理器發(fā)出中斷請求,以響應(yīng)所選輸入引腳的狀態(tài)變化。利用單片機(jī)這一電平變化中斷模式,可以方便的組成檢測電路,數(shù)字信號控制器與KMI16/1電氣連接圖僅給1路傳感器硬件接口電路,其它3路完全一樣 (見圖6)。差分安裝的4支傳感器A、B、C、D相應(yīng)調(diào)理電路分別接到單片機(jī)的 CN0～CN3,CN 0～CN3每一電平跳變一次代表旋轉(zhuǎn)1°。另從圖3看出,對于順時針旋轉(zhuǎn)時有:傳感器A信號|傳感器B信號=1(傳感器A信號跳變),傳感器B信號|傳感器 C信號 =1(傳感器B信號跳變),傳感器C信號|傳感器D信號 =1(傳感器C信號跳變),傳感器D信號|傳感器 A信號 =1(傳感器D信號跳變);對于逆時針旋轉(zhuǎn)時有:傳感器A信號|傳感器 B信號 =0(傳感器A信號跳變),傳感器B信號|傳感器C信號 =0(傳感器B信號跳變),傳感器C信號|傳感器D信號 =0(傳感器C信號跳變),傳感器D信號|傳感器 A信號 =1(傳感器D信號跳變)。為此,基于dsPIC30F4013單片機(jī)程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié) 語

利用DSPIC4013的電平跳變中斷模式實(shí)現(xiàn)了角度信號的采集,簡化看了外圍電路,釋放了更多的有效空間。根據(jù)實(shí)踐檢測可知,傳感器差分安裝方法能更有效的提高角度檢測精度。目前該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于高造斜分支鉆井工具的樣機(jī)研究中。

[1]王金華.KMI集成轉(zhuǎn)速傳感器的原理以及在齒輪流量計(jì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].計(jì)測技術(shù),2008,28(B10):106-107.

[2]李紅果.一種光電編碼器位置檢測系統(tǒng)研究與應(yīng)用 [J].單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用,2008(24):88-91.

[3]劉和平.dsPIC通用數(shù)字信號控制器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.