陳國彬，張曉明，崔 星，李永慧，劉 俊

（中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學的進步，許多軍事、工業(yè)領(lǐng)域?qū)ο鄬D(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的精度、體積、抗干擾的要求越來越高，可靠的小型化、高精度相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。目前測量相對轉(zhuǎn)速的方法主要有基于測速發(fā)電機原理和基于光電編碼原理的兩種方案。永磁直流測速發(fā)電機具有靈敏度高、正反轉(zhuǎn)輸出特性一致等優(yōu)點，但該方法成本較大、對安裝精度要求高、體積較大且易受溫度影響；光電編碼器可以檢測相對旋轉(zhuǎn)位置和方向，且測量精度高、抗干擾能力強，但其安裝工藝復雜、不易實現(xiàn)小型化[1]、抗沖擊力弱。特別是在測量彈體相對旋轉(zhuǎn)的工作環(huán)境中，要求測量系統(tǒng)體積小、安裝精度要求低、抗高過載。因此，文中提出了一種基于磁阻傳感器相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。

通過磁傳感器檢測磁場強度的變化來測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速可以達到上述測量要求。與測速發(fā)電機不同，這種測試系統(tǒng)根據(jù)信號脈沖之間的時間長度來確定轉(zhuǎn)速，測量結(jié)果不會受溫度或負載的影響。同時，由于磁場具有穿透特性[2]，磁傳感器與被測磁場之間只要沒有磁屏蔽介質(zhì)相隔，就可以檢測到磁場強度的變化，因此其受外界環(huán)境的制約小，可用于惡劣環(huán)境下的測量工作。并且這種測量系統(tǒng)體積小、成本低，安裝簡便、容易實現(xiàn)小型化。文中闡述的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)僅通過采集單通道數(shù)據(jù)就可以確定旋轉(zhuǎn)方向，結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)測速工作原理

基于磁阻傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計主要基于磁傳感器的輸出電壓隨其所處環(huán)境中磁場強度的改變而改變的設(shè)計思想。安裝結(jié)構(gòu)說明，被測轉(zhuǎn)子的側(cè)面按不同極性方向放置兩塊永磁體，該永磁體應放置在距離旋轉(zhuǎn)軸心相同半徑處，并且其安裝相位相差90°（見圖1）。

磁阻傳感器安裝在另一相對旋轉(zhuǎn)體或固定體上，其位置要與相對旋轉(zhuǎn)體相距一定距離（該距離根據(jù)安裝需要和磁阻傳感器的具體指標來自行確定），相對旋轉(zhuǎn)體之間無需電氣連接。磁阻傳感器的測量軸向要求與永磁體的磁軸平齊，但其安裝精度的要求沒有光電編碼器嚴格。在被測的相對旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時，當其旋轉(zhuǎn)到某一永磁體與磁阻傳感器正對的位置時，磁傳感器所探測到的磁場強度將達到最大值，同時系統(tǒng)輸出也將達到最大值；當旋轉(zhuǎn)到另一永磁體與磁阻傳感器正對的位置時，磁阻傳感器所探測到的磁場強度將達到最小值，相應的系統(tǒng)輸出也將達到最小值。所以在相對旋轉(zhuǎn)過程中，該相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的輸出信號為一個周期信號，該信號的周期與被測相對旋轉(zhuǎn)周期一致，幅值由永磁體的磁矩、永磁體與磁傳感器的距離及信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)確定。相對旋轉(zhuǎn)的方向可根據(jù)輸出信號的波形來確定。不同方向的旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)為電壓最大值與電壓最小值之間的變化所經(jīng)歷的時間不同。在旋轉(zhuǎn)體按正方向旋轉(zhuǎn)時由電壓最小值到電壓最大值所經(jīng)歷的時間占一個周期的四分之一；按反方向旋轉(zhuǎn)時，由電壓最大值到電壓最小值所經(jīng)歷的時間占一個周期的四分之一（見圖2）。

圖1 相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理圖

因此本系統(tǒng)依靠單通道數(shù)據(jù)即可判定旋轉(zhuǎn)方向，減少了系統(tǒng)資源與空間位置的占用。

圖2 不同方向旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)波形

2 系統(tǒng)硬件組成

基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要由單軸磁阻傳感器、信號調(diào)理模塊、采集存儲模塊等組成（見圖3）。

磁阻傳感器選用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC1051Z單軸磁阻傳感器，該傳感器具有成本低、體積小、功耗低、測量精度高、抗高沖擊能力強等優(yōu)點，可測量±6Gauss的磁場強度，具有1mV／V／Gauss的靈敏度，同時具有芯片內(nèi)部置位／復位功能，其測量帶寬為5MHz，可有效測量500kHz以下的周期信號。

由于HMC1051Z為雙端輸出，輸出電壓為雙極性電橋輸出，所以信號調(diào)理電路設(shè)計為差分放大電路（見圖4）。該放大電路的增益根據(jù)所選用的永磁體的磁場強度和磁阻傳感器與永磁體之間的距離所決定。為了簡化系統(tǒng)中的電源配置，選用單極性電源供電。為防止運放的輸出電壓反相電壓截止，所以運放的正相段接入基準電壓VREF，該基準電壓的幅值應根據(jù)運放輸出的雙極性信號的單峰值來選擇。

圖3 系統(tǒng)硬件組成

圖4 磁傳感器的信號調(diào)理電路與復位電路

磁阻傳感器的復位是至關(guān)重要的，如果磁阻傳感器暴露在過強的磁場中會使其靈敏度降低，影響測量結(jié)果。對其進行周期性的復位既可以保證其正常工作，又可以保持其靈敏度的線性特性。根據(jù)HMC1051Z單軸磁阻傳感器的特性，其復位時需要400mA以上的電流脈沖，該電流脈沖的持續(xù)時間至少為2μs，所以為了減小系統(tǒng)功耗，本相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)選用點滴式充放電復位電路。傳感器的復位電路由C1、C2、R13、R14、Q1、DO1組成（見圖4）。DO1端輸入周期性方波脈沖信號，該信號由系統(tǒng)控制芯片提供。當DO1為低電平時，PNP型三極管Q1關(guān)斷，VCC經(jīng)由R13對C1進行充電；當DO1轉(zhuǎn)為高電平時，C2與R14會產(chǎn)生一個正電壓，使得Q1開啟，C1放電，在SR＋端會產(chǎn)生一個接近VCC的電壓脈沖，在SR＋與SR－端產(chǎn)生一個大于400mA的電流脈沖。根據(jù)傳感器對復位電流持續(xù)時間的要求，用于充放電的電阻R13選用220Ω，電容C1選用0.22μF。

采集存儲模塊主要負責數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸，并提供傳感器復位脈沖，該模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換、FLASH存儲、數(shù)據(jù)傳輸組成（見圖5）。

基于磁傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應用FPGA作為控制核心。本系統(tǒng)選用5kHz的采樣率，該采樣率可對轉(zhuǎn)速在1kHz以下的旋轉(zhuǎn)進行有效測量，如需要測量其它較高的相對轉(zhuǎn)速則可以選擇較高的采樣率。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可選TI公司的ADS8504，內(nèi)置單通道12位ADC，轉(zhuǎn)換速率高達250kSPS，具有并行輸出功能，能大幅度的減小數(shù)據(jù)傳輸時間。運用5V直流電源供電，可簡化系統(tǒng)中的電源配置。輸入電壓范圍較寬，可采集±10V范圍內(nèi)的電壓。FLASH存儲選用K9F2G08芯片，其具有256M×8bit的數(shù)據(jù)存儲空間，若應用5kHz的采樣率，可有效采集71h的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸選用串口傳輸，其有效傳輸速率最高為115200bit／s，可支持7kHz以下的采樣率，如需要更高的采樣率可選用USB傳輸。根據(jù)應用不同的應用環(huán)境可以選擇不同的工作模式：1）實時上傳；2）板上存儲、事后上傳。比如在測量彈體相對轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境中，由于安裝空間的要求，只能選擇板上存儲、事后上傳的工作模式。

圖5 采集存儲模塊組成

3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量方法

基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)是根據(jù)磁阻傳感器輸出的時域信號的周期或頻率變化實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)速測量。而光電編碼器或磁選編碼器測量轉(zhuǎn)速的方法有適用于高轉(zhuǎn)速的測頻率法（M法）和適用于低轉(zhuǎn)速的測周期法（T法）[3]。M法是通過測量一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)來獲得速度值；T法是通過測量相鄰兩個脈沖之間的時間間隔來獲得速度值。本系統(tǒng)運用FFT測量方法來確定時域信號的周期或頻率變化，該方法主要通過對截取的一段測量數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換進行頻譜分析，找到主要頻率分量所對應的頻率值，即為所求的旋轉(zhuǎn)頻率。

具體測速方法如下，首先截取一段測量數(shù)據(jù)，該測量數(shù)據(jù)的時間長度T0是由信號頻譜分析中要達到的頻率分辨率Δf＝1／T0所決定的。如信號頻譜分析中的頻率分辨率要小于0.1Hz，截取測試數(shù)據(jù)的時間長度要大于10s。該測量方法的相對誤差E為：

其中n表示標準轉(zhuǎn)速。

由式（1）可以看出，所測信號的轉(zhuǎn)速越大，截取數(shù)據(jù)的長度越長，測量結(jié)果的相對誤差越小，測量精度就越高。因此，對于勻速旋轉(zhuǎn)的測量，應盡可能截取長時間的穩(wěn)定變化信號；對于轉(zhuǎn)速緩慢連續(xù)變化旋轉(zhuǎn)的測量，可以將截取部分的數(shù)據(jù)視為勻速旋轉(zhuǎn)，通過頻譜分析得到主要信號的頻率，并將該頻率作為此段截取數(shù)據(jù)時間中點的旋轉(zhuǎn)頻率，造成了測量結(jié)果的時間延遲。延遲時間長度τ為：

應用該測速系統(tǒng)對CQM6132小型高精度車床提供的不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)進行測量，以驗證該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的精確度。由于車床提供的轉(zhuǎn)速誤差較大，所以應用單軸高精度大量程陀螺PA－ARG－10800作為標準轉(zhuǎn)速，該陀螺的測量范圍是±10800°／s，分辨率小于10°／s，將其與車床同軸旋轉(zhuǎn)。車床提供轉(zhuǎn)速分別為：335r／min，500r／min，710r／min，1000r／min，1400r／min。令本測速系統(tǒng)同時采集磁傳感器數(shù)據(jù)與陀螺數(shù)據(jù)，采樣頻率5kHz，在每種轉(zhuǎn)速下兩通道分別采集60s的穩(wěn)定數(shù)據(jù)。采集完成后，從每種轉(zhuǎn)速的測量數(shù)據(jù)中提取10s的數(shù)據(jù)，并對其進行頻譜分析，找到主要頻率分量所對應的頻率值。圖6為不同轉(zhuǎn)速下陀螺的輸出數(shù)據(jù)。圖7為1400r／min轉(zhuǎn)速條件下磁傳感器輸出的時域信號與頻域分析的處理界面，其中設(shè)定分析數(shù)據(jù)為2～12s之間的數(shù)據(jù)，經(jīng)過頻譜分析，得到主要交流分量的頻率為24.8718Hz。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下陀螺數(shù)據(jù)

圖7 1400r／min轉(zhuǎn)速磁傳感器頻譜分析

按照上述數(shù)據(jù)處理方式，得到不同轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果如表1所示。測量的相對誤差隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，符合上述測量精度的要求。由于本系統(tǒng)應用FFT測量方法，所以頻譜分析中的頻率分辨率越小，相對誤差就越小，從而頻率測量精度越高，但其要求信號的截取時間長度就越長，相應的頻率測量的延遲時間就越長，所以應根據(jù)實際情況折中選擇。

表1 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)與陀螺數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

文中闡述的基于磁阻傳感器的相對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)具有體積小、精度高、抗干擾、安裝簡便等優(yōu)點，原理簡單易于實現(xiàn)，并且可用于惡劣條件下的轉(zhuǎn)速測量工作，尤其適合應用在像彈體轉(zhuǎn)速測量這種高溫、高沖擊的測量條件下。但該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)只適用于勻速旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)速緩慢連續(xù)變化旋轉(zhuǎn)的測量，對于轉(zhuǎn)速突變的旋轉(zhuǎn)仍然達不到理想的測量精度。下一步的研究工作主要是通過改良數(shù)據(jù)處理方法，從而減少數(shù)據(jù)采集時間，提高測量精度并擴大系統(tǒng)的測速范圍。

[1]鄧建，林樺.基于DSP的絕對式光電編碼器的電機轉(zhuǎn)速測量[J].電機與控制應用，2010，37（1）：50－55.

[2]廖紅偉，楊曉非.磁選編碼器的發(fā)展及應用[J].信息記錄材料，2003，4（1）：40－44.

[3]賀桂芳，蔣華軍.磁阻傳感器在轉(zhuǎn)速測量中的應用[J].微計算機信息，2006，22（5）：168－169.