基于MLX90316的磁性角度傳感器的設(shè)計方案

本方案中所設(shè)計的整個系統(tǒng)重點(diǎn)分析了信號采集模塊的實(shí)現(xiàn)原理和影響測量精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過微處理器實(shí)現(xiàn)角度值的解算，在此基礎(chǔ)上編寫軟件算法。實(shí)驗證明本方案所設(shè)計的角度傳感器的精度能達(dá)到0.5°，可廣泛運(yùn)用于汽車、電機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中，滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)。

　　1.引言

　　角度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空、航天、航海、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。它主要分為接觸式和非接觸式兩種，由于接觸式的角度傳感器隨著使用時間的增長，會存在機(jī)械磨損、精度降低、經(jīng)常維修甚至更換新設(shè)備等缺點(diǎn)，這不僅提高了生產(chǎn)成本還容易使被測設(shè)備的質(zhì)量沒保證，而非接觸式角度傳感器則克服了這些缺點(diǎn)。常用的非接觸式角度傳感器有光電式和磁電式的。光電式的雖然精度比磁電式的高，但對環(huán)境要求苛刻、抗震性也較差，因此也就不適用于環(huán)境較復(fù)雜的工業(yè)場所。正是基于這些問題，設(shè)計一種基于磁電式的角度傳感器，它具有成本低廉，抗干擾性高，分辨力在0.5° 以內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.系統(tǒng)總體設(shè)計原理

　　整個系統(tǒng)有四部分組成，分別為電源模塊，磁傳感器信號采集模塊、微處理器模塊、信號輸出模塊，硬件框圖如圖1所示。

　　磁傳感器信號采集模塊主要通過集成有雙軸霍爾元件的集成芯片感知角度的變化，并以模擬信號或數(shù)字信號方式輸出到微處理器中，經(jīng)過一定的編碼和解碼，由微處理器輸出工業(yè)用的電壓或電流信號，或者以串口通信方式輸出數(shù)字信號。為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜度和誤差來源，信號采集單元選擇Melexis公司的MLX90316芯片。它屬于CMOS霍爾傳感器，可以輸出與芯片表面平行的磁場相對應(yīng)的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式輸出數(shù)字信號，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，這極大的減小了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。微處理模塊選用Freescale公司的MC9S08DZ60，它是一款小體積、低成本、低功耗和較多外部接口的16位微處理器。

　　它具有24路12位的A/D通道、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（MSCAN）、串行外圍設(shè)備接口模塊（SPI）、串行通信接口（SCI/USART）、內(nèi)部集成電路總線（IIC）等外設(shè)數(shù)字接口，很適合與外界進(jìn)行數(shù)字信號通信。

　　3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　角度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有三部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和檢測電路。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和傳感器位置的機(jī)械偏差將決定系統(tǒng)測量的精確度。相比于理想的Sine和 Cosine 輸出曲線，機(jī)械誤差可以導(dǎo)致附加的電壓偏移、相位偏移、幅度變化以及非線性誤差等。

　　磁鐵到傳感器軸距的下限由飽和效應(yīng)（電氣或磁場）所決定，上限由信噪比、信號與偏移電壓的比例來決定。

　　由于旋轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的機(jī)械磨損以及震動產(chǎn)生的軸偏移位置都將導(dǎo)致角度輸出信號的非線性，圖3揭示了磁鐵軸心的非線性度導(dǎo)致的角度誤差。

　　由圖3可知磁鐵的軸心偏