【磁編碼器總體設(shè)計方案3900字】

11-PAGE磁編碼器總體設(shè)計方案綜述1.1磁編碼器的總體結(jié)構(gòu)圖3-1系統(tǒng)總體框圖磁編碼器共分為信號產(chǎn)生、信號采樣、信號處理、信號輸出四個部分。信號產(chǎn)生部分由磁鐵和磁敏感傳感器組成。在電機(jī)軸上安裝合適的磁鐵，使電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動的磁場，本設(shè)計根據(jù)設(shè)計原理，采用單對磁極的磁鐵。在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上非接觸地安裝磁敏傳感器，將轉(zhuǎn)動的磁場信息高速地轉(zhuǎn)化成電信號，本設(shè)計最后對比方案，選擇了較為成熟的TMR傳感器。TMR傳感器生成兩路正交的正余弦信號，由雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行采樣，兩路信號輸入現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中進(jìn)行信號的處理與解算，得到電機(jī)的角度、角速度等信息。最后通過FPGA實現(xiàn)SPI輸出接口。1.2磁場的分析與構(gòu)建磁編碼器中往往采用磁柵作為充磁的方案，磁柵的磁場強弱、軸向或徑向的充磁方式、磁極的對數(shù)等參數(shù)對于原始信號的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，同時也決定了后續(xù)處理電路的方案和復(fù)雜程度。磁柵根據(jù)性質(zhì)可分為環(huán)形或者是線形[19]，根據(jù)磁極的對數(shù)又可分為單磁極磁柵和多磁極磁柵[1]，如圖3-1所示。單對磁極磁柵多對磁極磁柵按磁極對數(shù)分類環(huán)形磁柵單對磁極磁柵多對磁極磁柵按磁極對數(shù)分類環(huán)形磁柵線形磁柵單對磁極磁柵只有一對N-S磁極，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動一周時，傳感器輸出一個周期的正余弦信號。使用時一般在其磁場方向上位置正交地安裝兩個磁敏感元件，以采集到兩路正交的正余弦模擬信號，如圖3-2所示。由于其結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，適用于小型化的磁編碼器。但是由于電機(jī)每次轉(zhuǎn)動只產(chǎn)生一個周期的信號，因此難以直接用于對精度和分辨率有較高要求的編碼器，而需要對信號進(jìn)行倍頻處理，增加了后續(xù)處理電路的難度，因此一般只用于對分辨率要求較低的磁編碼器。圖3-3單對磁極磁柵信號發(fā)生示意圖多對磁極磁柵由均勻分布的多對磁極組成，如圖3-3所示，當(dāng)磁柵跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每對磁極會跟隨著轉(zhuǎn)動相應(yīng)地靠近磁敏元件，因此磁敏元件會根據(jù)磁柵磁極的對數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的多個周期的正余弦信號，周期的數(shù)量與磁極的對數(shù)相一致。因此，磁極的對數(shù)對于信號的分辨率起著決定性的作用，同時磁場的質(zhì)量也決定了信號質(zhì)量的好壞。圖3-4多對磁極磁柵示意圖除此之外，多對磁極磁柵中還有一類雙碼道磁柵，結(jié)構(gòu)為同心圓形狀的兩環(huán)多極式磁柵，分為主碼道和游標(biāo)碼道，兩個碼道磁極對數(shù)相差1對，如圖3-4所示。該類磁柵由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊性，可以采用游標(biāo)原理的解算方式對信號進(jìn)行解算，在解算算法上有一定的優(yōu)勢，但是由于其磁柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對于成本的要求較高，在磁編碼器小型化上也有一定的局限性。圖3-5雙碼道磁柵結(jié)構(gòu)圖本論文對于磁編碼器的分辨率和精度沒有很高的要求，同時由于雙碼道磁柵對于器材的要求較高，而在信號處理上則較為簡單，與本論文的設(shè)計方向不符，因此最終了單對磁極磁柵作為構(gòu)建磁場的方案。1.3磁敏感元件分析與選擇磁敏元件主要分為基于霍爾效應(yīng)和磁電阻效應(yīng)兩種?；魻栃?yīng)（Halleffect）是指當(dāng)導(dǎo)體或者半導(dǎo)體處于一個磁場內(nèi)，且有電流流經(jīng)時，導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)的電荷載流子受到洛倫茲力而偏向一邊，從而產(chǎn)生霍爾電壓的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)于1879年由埃德溫·赫伯特·霍爾（EdwinHerbertHall）在馬里蘭州約翰霍普金斯大學(xué)攻讀博士時發(fā)現(xiàn)，其電勢差可以表示為： （3.1）霍爾傳感器是一種使用霍爾效應(yīng)檢測磁場的存在和大小的傳感器，如圖3-5所示。它的輸出電壓與磁場強度成正比，是一種常用的磁場測量器件,具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、磁電轉(zhuǎn)換慣性小、成本低、體積小、壽命長等特點,但是由于其工作原理和材料，其精確性容易受到環(huán)境溫度變化的影響，往往需要加入溫度補償電路和算法。圖3-6霍爾傳感器工作示意圖由于解算磁場的角度、角速度信息需要至少了解磁場的二維平面信息，因此我們需要二維的磁敏傳感器數(shù)據(jù)。本論文設(shè)計了三種利用霍爾元件的方案，其一是利用Melexis公司的集成三維霍爾角度位置傳感器MLX90393,該芯片是一款絕對式角度傳感器，能夠同時提供XYZ三軸的磁場強度信息，可以通過SPI協(xié)議對其進(jìn)行寄存器配置，從而選擇需要讀取的各軸磁場信息和溫度數(shù)據(jù)，使用便捷直觀，示意圖如圖3-6所示。但是由于其最大數(shù)據(jù)輸出速率僅為717HZ，無法滿足論文對于磁編碼器高速的要求。圖3-7三維霍爾角度位置傳感器MLX90393系統(tǒng)框圖第二種方式是利用線性霍爾元件來采集磁場強度信息?；魻柧€性傳感器由霍爾元件、放大器和輸出跟隨器組成，輸出模擬量。其輸出與通過其自身的磁場強度成正比，根據(jù)磁場極性和強弱而改變其輸出電壓，通過輸出電壓的改變可以得知相應(yīng)角度信息的變換，輸出電壓與的磁場極性和強度的轉(zhuǎn)化關(guān)系恒定，具有體積小，輸出信號噪聲低，正負(fù)磁場均可感應(yīng)等優(yōu)勢。方案設(shè)計通過兩個分立的線性霍爾元件獨立采集磁場數(shù)據(jù)，由這兩個芯片的物理位置正交關(guān)系來實現(xiàn)輸出信號的90°相差，同時設(shè)計了溫度傳感器，采集環(huán)境溫度信息，用以解算的時候進(jìn)行溫度補償，設(shè)計示意圖如3-7所示。圖3-8線性霍爾方案PCB設(shè)計第三種基于霍爾效應(yīng)的方案是利用雙碼道磁柵和IC-Haus公司的IC-MU芯片，根據(jù)游標(biāo)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，這樣的方案對于解算算法和補償算法的要求都比較低，但是對于芯片和磁柵的選擇有固定的要求，根據(jù)前文磁柵的選擇中所提到的原因放棄本方案。此外，磁敏傳感器選擇還有磁敏電阻型磁編碼器方案。其中又分為基于各向異性效應(yīng)(AMR)、巨磁阻效應(yīng)(GMR)、隧道磁電阻效應(yīng)（TMR）的。其中前兩種效應(yīng)具有靈敏度較低，功耗較大等缺陷，而新一代磁敏傳感器TMR傳感器則具備輸出信號強度高、靈敏度高、精度高、分辨率高、功耗低、溫度性質(zhì)好等優(yōu)勢。TMR傳感器主要由自由層和固定層兩個磁性層構(gòu)成，固定層的磁化方向固定，不隨著外界磁場變化而變化，而自由層的磁化方向跟隨外界磁場變化，當(dāng)磁柵跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)動時，傳感器的電阻就跟隨兩個磁性層之間的夾角變化而呈現(xiàn)正余弦變化，因此能夠根據(jù)TMR傳感器輸出的電壓檢測該位置磁場的方向。其使用方法如圖3-8所示。將一個單對磁極磁柵固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸之上，同時置于TMR芯片上方，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，TMR傳感器就會隨著輸出兩路正交的正余弦信號，如圖3-9所示。這些正弦和余弦信號由兩個正交惠斯通全橋TMR角度傳感器提供。每個全橋TMR角度傳感器包括四個獨特的高場TMR傳感器臂，以推挽方式連接，以產(chǎn)生高達(dá)90%電源電壓的最佳峰間信號，在許多應(yīng)用中消除了放大的需要，同時由于磁場在1000奧斯特范圍內(nèi)變化，保持了較低的誤差。圖3-9TMR傳感器工作示意圖圖3-10TMR傳感器輸出波形示意圖1.4信號處理算法分析磁編碼器的設(shè)計中，解算算法的選擇往往是與磁柵、磁敏元件的選擇相對應(yīng)的。要想高速地完成磁場角度數(shù)據(jù)的解算，解算算法是信號處理的核心部分，目前常用的信號處理算法包括反正切算法、定標(biāo)查找算法、游標(biāo)原理算法和CORDIC算法等。1.4.1反正切算法反正切算法通過對兩路正交的正余弦信號進(jìn)行反正切運算得到磁場的角度信息。在電機(jī)附近按垂直的位置關(guān)系擺放兩個磁敏元件，得到兩路正交的信號： （3.2） （3.3）其中，U1、U2是傳感器輸出的兩路信號，Umax是輸出最大電壓，θ是磁場的角度。 （3.4）算法的邏輯簡單直觀，但是涉及到大量的浮點數(shù)運算以及三角函數(shù)運算，對于FPGA的硬件資源占用很大，計算時間消耗也長，不利于高速實時求解。1.4.2相定標(biāo)查找法定標(biāo)查找法主要是利用查找表原理（Lookuptable,LUT），將電機(jī)轉(zhuǎn)動一周的物理角度與經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號相對應(yīng)，然后制成對應(yīng)的的數(shù)據(jù)表，按照預(yù)先設(shè)定的順序存儲在FPGA的存儲器中【】。磁編碼器在數(shù)據(jù)解算時的查找表及角度值修正都是依據(jù)該數(shù)據(jù)表進(jìn)行的中【】。磁編碼器根據(jù)磁敏元件輸出的信號，在存儲器中找到相對應(yīng)的電機(jī)物理角度值，并將該角度值直接輸出。該算法大大降低了微處理器的計算量，對硬件資源的消耗比較小，顯著提高的運算速度，但是缺陷在于帶存儲資源消耗很大，對于磁柵和信號噪聲的要求很高，同時，由于制作角度數(shù)據(jù)表的曲線不是完全線性的，因此標(biāo)定查找算法的輸出會存在一定的系統(tǒng)誤差，難以簡單地通過軟件消除【】。1.4.3游標(biāo)原理法游標(biāo)原理由法國數(shù)學(xué)家PierreVernier發(fā)明，該算法原理直觀，計算難度低易于實現(xiàn)，因此目前已成為常用的工程測量算法。該算法需要兩個信號，一個為主信號，一個為游標(biāo)信號，同為正弦波信號，當(dāng)雙碼道磁柵跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)動一周時，兩個信號輸出周期不同的正弦信號，信號經(jīng)過的周期數(shù)量相差一個，在解算時，根據(jù)兩個信號周期相差的相位差，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。使用游標(biāo)原理對于硬件資源的消耗較小，可以使解算算法大大簡化，實現(xiàn)高速實時的解算，但是對于磁柵有特殊的要求。1.4.4CORDIC算法CORDIC（coordinaterotationdigitalcomputer）是一種迭代算法，由JackE.Volder在1959年提出。該算法它所需的操作只有加法，減法，移位和查找表，它們都屬于移位加法算法的類別。因此，CORDIC是一種簡單有效的計算三角函數(shù)，雙曲函數(shù)，平方根，乘法，除法以及具有任意基數(shù)的指數(shù)和對數(shù)的算法，J.Walther在1971年對算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了統(tǒng)一的CORDIC算法（TheUnifiedCORDICalgorithm)，通過引入一個坐標(biāo)參數(shù)，將直線、圓周、雙曲旋轉(zhuǎn)統(tǒng)一到了一個迭代式（3.5）中，使其能夠計算更多函數(shù)，包括矢量求模、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、正定矩陣的Cholesky分解及Toepliz方程組的解、矩陣的QR分解以及特征值的求解、濾波器、最小二乘法、矩陣的奇異值分解等【】。 （3.5）CORDIC算法是基于向量旋轉(zhuǎn)或者坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)數(shù)值逼近的數(shù)字迭代算法,其基本思想是:用一系列預(yù)先設(shè)定好的特定角度的多次迭代偏擺來逼近所需數(shù)值。CORDIC算法包括旋轉(zhuǎn)模式和向量模式，其原理如下：圖3-11CORDIC旋轉(zhuǎn)示意圖根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的原理，可以求得： （3.6）其中θ為旋轉(zhuǎn)角度。n次旋轉(zhuǎn)后經(jīng)式（3.5)可以得到迭代式為： (3.7)其中，為了讓運算簡化為加法和移位操作，預(yù)先對θn的值做了確定: (3.8) dn為-1或1中的一個數(shù)，代表旋轉(zhuǎn)的方向，因此 （3.9）經(jīng)多次