張從鵬,徐 兵,徐宏海

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

目前廣泛應(yīng)用的角度測量傳感器多為機(jī)械接觸式編碼器、光電編碼器、光柵傳感器等，為了不丟失傳感器斷電時(shí)的數(shù)據(jù)，以絕對(duì)值型編碼器作為角度測量的首選。首先，多數(shù)傳感器角度測量范圍為單圈0～360°，不能實(shí)現(xiàn)多圈測量或可設(shè)定量程測量；其次，單圈分辨率太低，一般為12位；最后，采用傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度傳感器普遍使用壽命不高，抗沖擊、振動(dòng)能力較差，如果遇到潮濕、高溫等惡劣工作環(huán)境時(shí)，傳感器測量精度和準(zhǔn)確度會(huì)受到很大影響[1]。文中基于STM32微控制器，設(shè)計(jì)了多圈絕對(duì)角度傳感器的硬件電路模塊以及智能化軟件，并通過性能測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證傳感器的獨(dú)立線性精度和測量精度。

1 傳感器系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

采用MLX90316作為磁敏絕對(duì)角度位置獲取芯片，以STM32作為系統(tǒng)MCU，設(shè)計(jì)角度信號(hào)采集電路、電源電路、通信電路，并進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

STM32F103是一款增強(qiáng)型芯片，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM)，具備3路串行SPI接口、2路12位D/A轉(zhuǎn)換器和5路USART接口，工作溫度范圍為-40～+105 ℃，工作電壓2.0～3.6 V，完全滿足低功耗應(yīng)用的要求。

角度信號(hào)采集采用絕對(duì)角度位置傳感器芯片MLX90316,MLX90316是一款采用三軸霍爾技術(shù)的傳感芯片，可感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)范圍在0～360°的角度位置，小型徑向充磁的磁鐵在霍爾芯片上旋轉(zhuǎn)，霍爾芯片可獲取磁場的2個(gè)矢量Bx和By[2],通過芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)Vx和Vy傳輸給DSP模塊進(jìn)行處理，角度位置計(jì)算公式為

α=ATAN(Vy/Vx)

式中ATAN通過查找表實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算用到比例值Vy/Vx．

由于磁場強(qiáng)度、溫度等因素的變化會(huì)同時(shí)作用于信號(hào)Vx和Vy上，因此角度信號(hào)具有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的霍爾芯片，MLX90316芯片在環(huán)境變化下精確度得到很大的提高。

MLX90316芯片數(shù)字輸出信號(hào)具有14 bit角度分辨率,微控制芯片STM32F103通過串行接口SPI采集到霍爾芯片傳輸?shù)臄?shù)字量角度位置信號(hào)后進(jìn)行一系列內(nèi)部處理，最終通過收發(fā)器MAX485進(jìn)行RS485通信并通過STM32F103內(nèi)部DAC進(jìn)行模擬量輸出[3]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多圈絕對(duì)角度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括上蓋、下蓋、軸、軸承、彈性擋圈。MLX90316的磁鐵規(guī)格要求為芯片表面磁場強(qiáng)度50 mT,該系統(tǒng)采用釹鐵硼磁鐵，完全滿足MLX90316芯片對(duì)磁場強(qiáng)度的要求。上蓋定位傳感器電路板，保持MLX90316芯片中心與軸中心對(duì)稱，機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 磁感角度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

STM32F103的SPI接口在全雙工通信模式下通信速率可達(dá)18 Mb/s，可以使用DMA操作。MLX90316的串行通信采用三線制的通信協(xié)議，其中MOSI-MISO共用1個(gè)引腳，采用5 V上限的開漏數(shù)字輸入或輸出。片選引腳SS由微控制芯片STM32的I/O口采用軟件模式控制，片選微控制芯片為主機(jī)，霍爾芯片為從機(jī)[4]，SCK信號(hào)由主機(jī)提供。通信時(shí)序圖如圖3所示，磁敏芯片MLX90316的外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 SPI時(shí)序圖

圖4 MLX90316外圍電路

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低功耗的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該傳感器系統(tǒng)使用DC12V供電，為滿足磁敏感芯片5 V供電及微控制器的3.3 V供電要求，采用電源穩(wěn)壓芯片TD1509以及AMS1117。TD1509是一款高效率低損耗、工作穩(wěn)定、性價(jià)比高、使用面廣的DC/DC管理芯片。AMS1117是正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是該系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案中較理想的選擇。電源電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 電源電路設(shè)計(jì)

1.4 數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)

STM32F103具備3路USART接口，其中一個(gè)USART接口的通信速率可達(dá)4.5 Mb/s，其他的USART接口通信速率可達(dá)2.25 Mb/s，可以使用DMA操作[5]。

采用RS485通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。RS485是一種常用的數(shù)字通信方式，主從通訊雙工通信模式，平衡傳輸，抗干擾強(qiáng)，可多機(jī)并聯(lián)，只需要單5 V電源，一般可傳輸1 km．MAX485是一款低功耗的通信收發(fā)器，驅(qū)動(dòng)擺率不受限制[6],可以實(shí)現(xiàn)最高2.5 Mbit/s的傳輸速率，滿足灌區(qū)閘門開度實(shí)時(shí)采集的要求。RS485通信電路如圖6所示。

圖6 RS485通信電路設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于MDK-ARM專業(yè)版 uVision V4.7編程環(huán)境，開發(fā)了傳感器應(yīng)用軟件，程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件程序流程圖

3 性能測試實(shí)驗(yàn)

測試方法及過程為：將RS485型多圈角度傳感器通過聯(lián)軸器和3 000 r/min伺服電機(jī)連接；并通過PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制，使其定位精確；通過RS485接口將傳感器角度信號(hào)讀取出來，然后將多圈角度傳感器測量得到的角位置和運(yùn)動(dòng)控制卡的反饋值進(jìn)行比較，分析并測定多圈絕對(duì)角度傳感器的測量精度、線性度等性能[7]。傳感器性能測試現(xiàn)場如圖8所示。

根據(jù)計(jì)算公式Lout=(ΔYmax/ΔYout)×100%，可以得出多圈角度傳感器的獨(dú)立線性精度為0.039%，測量精度為0.02°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明多圈角度傳感器設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

實(shí)驗(yàn)條件為：伺服電機(jī)編碼器分辨率為8 192 脈沖/轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 850 r/min，每次增量進(jìn)給910個(gè)脈沖，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖8 多圈角度傳感器測試現(xiàn)場圖

4 結(jié)束語

基于非接觸磁敏感測量技術(shù)，開發(fā)了高性能微處理器的智能多圈絕對(duì)值角度傳感器，該傳感器具有測量精度高、測量量程可調(diào)、適應(yīng)惡劣工況等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：角度傳感器的獨(dú)立線性精度達(dá)到0.039%，測量精度達(dá)到0.02°，可以滿足各種工業(yè)角位置測量的需求。

表1 多圈絕對(duì)角度傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

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