一种多圈角度传感器的设计

一种多圈角度传感器的设计

0总结角度传感器是一种将机械旋转的角位移或直线位移转换为信号的设备。它是一个基于机械和电子的精确测量设备。1传感器的组成和基本原理1.1旋转连接轴与激励磁体旋转多圈磁电角度传感器由传感器壳体、旋转连接轴、激励磁体、电路板、超级电容、解算软件、连接线等部分组成,如图1所示。旋转连接轴与电机、汽车、风电、电梯、机器人等产生机械位移的部位相连接,当旋转轴旋转时,带动激励磁体旋转,信号采集电路板上的磁检测芯片能够根据激励磁体的旋转输出电信号,单片机处理芯片采集磁检测芯片输出的电信号,运算后得到绝对值角度和圈数信息,将解算信息通过RS485转换电路、信号连接线接口向外输出。1.2霍夫原理当激励磁体旋转时,霍尔元件可感应到磁场的磁向量并输出分别与位置角正弦、余弦信号成比例的U2激励磁体转换电路传感器电路集中在信号处理电路板上,板上的霍尔传感芯片中心正对旋转连接轴上的激励磁体,能够根据激励磁体的旋转输出相互正交的两路电压信号,单片机将经过放大的两路电压信号进行A/D转换,通过运算得到绝对值角度和圈数信息,将该信息通过RS485转换电路、信号连接线接口向外输出3中熟技术的实现3.1磁体旋转角度当激励磁体(径向磁化)在霍尔芯片表面转动,芯片传感部分将产生两个正交的差分信号,磁场强度和输出的感应电压强度与磁体旋转角度的关系如图3所示。霍尔芯片的输出电压完全正比于磁场强度,因此可以利用电压来计算角度。电压U由U3.2检测芯片的放电圈数的计算由单片机实现,通过连续两次解算的角度计算,当本次角度在0°~11.25°之间并且上次角度在348.75°~360°之间,则圈数加1;如果本次角度在348.75°~360°之间,并且上次角度在0°~11.25°之间,则圈数减1。圈数的掉电保存由超级电容及EEPROM实现。正常工作时,单片机采集磁检测芯片的角度数据,计算圈数;断电时由超级电容放电供单片机将圈数信息保存在EEPROM存储芯片中,再次上电时,单片机首先读取EEPROM中圈数信息,从而实现了多圈计数。EEPROM电路见图4,其存储芯片采用AT24C02,它采用的I2C总线是两线式串行总线,仅需要时钟和数据两根线就可以进行数据传输,使用时十分方便。本文中单片机作为主器件,控制传送数据(发送或接收)的模式,AT24C02作为从器件,其时钟引脚SCL和数据引脚SDA连接单片机上的相应引脚即可超级电容是一种无源器件,介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流、快速充放电特性,同时也具有电池的储能特性,并且重复使用寿命长。超级电容能够在很小的体积下实现法拉级的电容量,无须特别的充电电路和控制放电电路,适合为可编程器件提供掉电备用电源。本系统中选用松下公司的超级电容器EECF5R5U224,容量0.22F(5.5V),电路图如图5所示。V4的1端连接5V电源,V5的2端连接单片机和EEPROM的电源端。当5V电源断电时,超级电容C3.3系统的软件设计软件运行在MSP430G2553单片机内,软件流程如图6所示。传感器上电后,首先读取EEPROM中存储的圈数信息并赋值,随后对U4光电编码的测试软件利用上述原理制作了一台磁电编码器样机,为了测试角度测量结果,与上海精浦公司生产的GAS60光电编码器进行了对比试验,光电编码器采用高精度刻线光学码盘,单圈分辨率8192线。将两台编码器安装在一个旋转电机的同轴两翼,进行同步旋转,两台编码器连接在PC机的测试软件上,定时测量,对比两台编码器的测试数据,误差均小于0.2°。测量比较结果如表1所示(表中列举部分数据)。此外,进行圈数的掉电存储实验100次,圈数均得以保存。5光学编码与光学刑法的区别利用霍尔效应和超级电容实现的非接触式多圈角度传感器成本低