利用雙軸霍爾元件進(jìn)行角位置測(cè)量

1、利用雙軸霍爾元件進(jìn)行角位置測(cè)量摘要：一種帶有360°感應(yīng)能力的獨(dú)特IC元件擴(kuò)展了霍爾效應(yīng)技術(shù)在角度位置產(chǎn)品中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：磁盤(pán) 磁通量 鐵磁 PWM 磁體    2軸Hall傳感器結(jié)合了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS過(guò)程和平面磁集中器。在一相非常小的鐵磁盤(pán)集中器邊緣的硅模型上放置了四套Hall元件，此集中器由一個(gè)和芯片表面相連的高滲透性及低強(qiáng)制磁場(chǎng)的鐵磁層組成。該流量集中器把平行于裝置表面的場(chǎng)元件轉(zhuǎn)換成與元件垂直的元件，在其制造過(guò)程中允許使用傳統(tǒng)的CMOS Hall技術(shù)。磁場(chǎng)的垂直元件在磁盤(pán)邊緣（Hall元件位于此）附近時(shí)最強(qiáng)。流量集中器不需放大裝置噪音即可提供場(chǎng)

2、放大。        霍爾元件位于磁盤(pán)的四個(gè)象限以提供X、Y輸出（參看圖1）。每軸只需一個(gè)霍爾元件，但通過(guò)測(cè)量每個(gè)象限位置的兩個(gè)裝置的差分電壓可實(shí)現(xiàn)額外增益及減少偏差。X1、 X2和Y1、Y2 霍爾元件間的差分輸出，包括偏差、放大、偏移消除以及溫度穩(wěn)定功能，可通過(guò)集成電子電路處理。    在場(chǎng)強(qiáng)低至20 mT (200 G)時(shí)可得到2.5 V ±2.0 V的滿量程線性輸出。Vx 和Vy輸出可平衡至存在極小偏差。因?yàn)槠鋯文＝Y(jié)構(gòu)特性，兩種輸出不僅匹配而且有卓越的跟蹤性能。這種技術(shù)固有的幾種獨(dú)特性能使

3、其特別適合用于精確感應(yīng)，如非線性<0.1%且磁滯現(xiàn)象<0.03%的現(xiàn)場(chǎng)。    因?yàn)閮H有一個(gè)感應(yīng)軸，故傳統(tǒng)的、基于單元件線性霍爾芯片的、非接觸角度位置傳感器存在理論上180°的最大角限制。而這種兩軸線性霍爾芯片可檢測(cè)360°的旋轉(zhuǎn)且可提供此范圍內(nèi)的完全位置信息。如圖2所示，一個(gè)橫過(guò)其直徑并被磁化的磁體附于一軸，且在IC上方圍繞磁體與IC中心線旋轉(zhuǎn)。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，芯片可感應(yīng)到磁場(chǎng)的磁向量并產(chǎn)生分別與正弦、余弦信號(hào)成比例的Vx 和 Vy信號(hào)。如（1）方程所示，一個(gè)代表全角度的電壓 可通過(guò)采用一個(gè)小型8位微控制器或同等的處理器，計(jì)算Vx和Vy

4、的角度正切得到（見(jiàn)圖3）    Vx = Sx × B × cos Vx = Sx × B × sin (1)    IC的增益靈敏度Sx 和Sy 緊密相配并與溫度對(duì)應(yīng)。因此我們可假定Sx 和Sy 相等：    如果Sx = Sy = S,則有 Vy/Vx = S × B × sin /S × B × cos = sin /cos = tan (2)    因此， = arctan (Vy/Vx)

5、 = Vout (3)    每180°角正切函數(shù)重復(fù)且在90°和180°、Vx = 0時(shí)變成無(wú)窮大。因此這可通過(guò)如下方程計(jì)算：(Vx >0, Vy >0), = arctan (Vy/Vx) (4)(Vx = 0, Vy >0), = 90° (5)(Vx <0), = 180° + arctan (Vy/Vx) (6)(Vx = 0, Vy <0), = 270° (7)(Vx >0, Vy <0), = 360° + arctan (Vy/Vx)

6、(8)    通過(guò)Vy除Vx，則由S或B變化引起的潛在可變性能被抵消。因此其模擬輸出電壓代表的角度獨(dú)立于磁體力、溫度效應(yīng)和IC的增益敏感度。輸出成為磁場(chǎng)矢量量的一個(gè)函數(shù)，并將一直代表磁體在整個(gè)360°范圍內(nèi)的絕對(duì)機(jī)械位置。圖4顯示了一個(gè)典型的360°角度誤差，能量可被轉(zhuǎn)移并重新應(yīng)用，而不會(huì)損失磁體的絕對(duì)位置。    磁體產(chǎn)生的DC場(chǎng)能通過(guò)任何非鐵磁的材料，如鋁、300系列不銹鋼和塑料。因此兩軸IC和相關(guān)電子元件可安裝在一個(gè)絕對(duì)密封的金屬外殼里，從而使其與旋轉(zhuǎn)器件進(jìn)行機(jī)械隔離。這種結(jié)構(gòu)的另一種優(yōu)勢(shì)是它可給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)施加

7、零“拖動(dòng)”。例如，如果安裝一個(gè)磁體在軸內(nèi)并將一個(gè)采用該技術(shù)的傳感器置于外部，則傳感器可測(cè)量密封腔里的閥位置（參看圖5）。    雖然結(jié)合微控制器計(jì)算角度可能被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)，但因有微控器和IC的360°信息，其潛在傳感器解決方案眾多并且其產(chǎn)品功能可以得到極大地?cái)U(kuò)展。任何定制的輸出曲線都可被編程，輸出可以是模擬的、PWM、PPM或連續(xù)數(shù)字信號(hào)。磁體到傳感器的機(jī)械調(diào)節(jié)可以僅通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)定360°范圍內(nèi)的啟動(dòng)點(diǎn)來(lái)省去。    單軸操縱桿.雙軸線性霍爾傳感器為非接觸性單軸操縱桿提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。圖6展示了一種結(jié)構(gòu)，在

8、此結(jié)構(gòu)中磁體被安裝在操縱桿把手的軸里，IC被安裝在附于裝置架構(gòu)的PCB板上。通過(guò)在把手兩邊的任一邊安裝一個(gè)傳感器，就可形成了一個(gè)雙重冗余的操縱桿。其IC位于磁體軸的中心線上。旋轉(zhuǎn)角度可通過(guò)計(jì)算Vx 的Vy角度正切即可得到，與前面提到的360°旋轉(zhuǎn)應(yīng)用相似。由于有微控制器和傳感器的360°位置信息，故產(chǎn)品可形成各種輸出曲線，這樣即可取消感應(yīng)裝置機(jī)械和旋轉(zhuǎn)把手的調(diào)節(jié)。Vout = arctan (Vy/Vx) (9)    雙軸操縱桿 大部分雙軸操練桿可通過(guò)安裝在萬(wàn)向軸系統(tǒng)的兩個(gè)電位計(jì)及從傳感器提取X與Y向的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量它們的位置。通過(guò)安裝一個(gè)雙

9、軸IC在球形旋轉(zhuǎn)的中央并在把手里安裝一個(gè)磁體，即可構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單、雙軸的非接觸的操縱桿。（如圖7所示）。    IC的X、Y輸出與磁場(chǎng)向量成正比。此向量外形是X、Y平面磁場(chǎng)向量的正弦波，當(dāng)操縱桿位于其中心位置時(shí)輸出為0（參看圖8）。在0°附近的0°60°范圍正弦波的非線性為<1%。由于大部分操縱桿存在±30°的典型應(yīng)用范圍，故通過(guò)此霍爾傳感器產(chǎn)生的線性輸出電壓簡(jiǎn)單并能很好地應(yīng)用于非接觸雙軸操縱桿。不需計(jì)算，X、Y輸出值也能直接與場(chǎng)強(qiáng)和IC敏感度成正比，因此它們可直接采用圖9所示的電路。根據(jù)精度要求，此電路的輸出

10、水平可能須調(diào)校機(jī)械位置以補(bǔ)償B和電路敏感度的變化。    高分辨率傳感器 圖10展示了一種得到更高分辨率的方式，以及通過(guò)運(yùn)用兩個(gè)X、Y 芯片和兩個(gè)磁體改善旋轉(zhuǎn)位置傳感器精度的方法。    與下部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個(gè)單極磁體，可通過(guò)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的一個(gè)電循環(huán)的正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行粗略的測(cè)量。與上部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個(gè)多極環(huán)磁體，其可通過(guò)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的n個(gè)電循環(huán)的正弦和余弦信號(hào)提供精確測(cè)量，這里n =極對(duì)數(shù)（參看圖11）    每個(gè)電循環(huán)周期有0.1°的分辨率，因此一個(gè)完整轉(zhuǎn)的總分辨率為0.1&

11、#176;/n。如果 n = 8極對(duì)，分辨率則變成0.1°/8 = 0.0125°或 45 arc/秒。下部PCB的粗略信息可用于確定多極環(huán)磁體的哪個(gè)部分（極對(duì)）在上部PCB IC的前面。在單極或360°/n的測(cè)量范圍內(nèi)，精度也可通過(guò)n的數(shù)量改善（精度 = 0.5°/n）且一個(gè)360°轉(zhuǎn)的整體精度可通過(guò)電子校正極大地提高。其精確和粗略信號(hào)可由一個(gè)微控制器處理以產(chǎn)生一個(gè)更高分辨率和更高精度的輸出。    羅盤(pán) 另一個(gè)獨(dú)特應(yīng)用是電子羅盤(pán)（參看圖12），在該裝置中IC被安裝在一個(gè)可以自由移動(dòng)的磁體的上方。 &#

12、160;  由于該磁體旋轉(zhuǎn)和排列的與地球磁場(chǎng)一致，因此它能產(chǎn)生一個(gè)與磁體方向一致的場(chǎng)向量。由于磁體的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于地球的場(chǎng)強(qiáng)（僅60 µT 即600 mG），其與傳感器的全量程場(chǎng)強(qiáng)相比太低。較強(qiáng)的磁體場(chǎng)強(qiáng)可通過(guò)傳感器檢測(cè)到，且當(dāng)羅盤(pán)磁體圍繞旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，其水平磁通在IC的 Vx 和Vy的輸出上產(chǎn)生正弦和余弦電壓信號(hào)。根據(jù)上述角度傳感器的描述，這些輸出信號(hào)可被轉(zhuǎn)換成與角度 成比例的模擬或數(shù)字電壓，如下所示：Vout = arctan (Vy/Vx) (10)    無(wú)刷直流電機(jī)控制 如果在無(wú)刷直流電機(jī)的尾部放置一個(gè)雙軸線性霍爾元件并將一個(gè)磁體插入軸內(nèi)（如圖13所示），則可從IC產(chǎn)生2相求積控制信號(hào)。該線性IC具有100,000 rpm的最大角速度，在此應(yīng)用中它的優(yōu)勢(shì)在于消除直流無(wú)刷電機(jī)