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文檔簡介
利用雙軸霍爾元件進行角位置測量摘要:一種帶有360°感應(yīng)能力的獨特IC元件擴展了霍爾效應(yīng)技術(shù)在角度位置產(chǎn)品中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:磁盤磁通量鐵磁PWM磁體2軸Hall傳感器結(jié)合了一個標(biāo)準(zhǔn)的CMOS過程和平面磁集中器。在一相非常小的鐵磁盤集中器邊緣的硅模型上放置了四套Hall元件,此集中器由一個和芯片表面相連的高滲透性及低強制磁場的鐵磁層組成。該流量集中器把平行于裝置表面的場元件轉(zhuǎn)換成與元件垂直的元件,在其制造過程中允許使用傳統(tǒng)的CMOSHall技術(shù)。磁場的垂直元件在磁盤邊緣(Hall元件位于此)附近時最強。流量集中器不需放大裝置噪音即可提供場放大。國1.集成的鐵瞭集中器位于硅模型中央,霍爾元件在瞄設(shè))夠。平行通量磁場被轉(zhuǎn)換到由霍爾元件(印感應(yīng)的垂直通星磁場。T顯示帶有移動的四德爾元件的詳^布局被展示在(S:霍爾元件位于磁盤的四個象限以提供X、Y輸出(參看圖1)。每軸只需一個霍爾元件,但通過測量每個象限位置的兩個裝置的差分電壓可實現(xiàn)額外增益及減少偏差。XI、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,可通過集成電子電路處理。在場強低至20mT(200G)時可得到2.5V±2.0V的滿量程線性輸出。Vx和Vy輸出可平衡至存在極小偏差。因為其單模結(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)固有的幾種獨特性能使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。
圖2.雙軸芯片能產(chǎn)生與隹感器上方跳體旅轉(zhuǎn)的場鐺量&可成正匕哪輸出。因為僅有一個感應(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,一個橫過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,芯片可感應(yīng)到磁場的磁向量并產(chǎn)生分別與正弦、余弦信號成比例的Vx和Vy信號。如(1)方程所示,一個代表全角度的電壓可通過采用一個小型8位微控制器或同等的處理器,計算Vx和Vy的角度正切得到(見圖3)(B) 2SA-10Ouputsignals苗3.奴軸ic的輸出由T■徵控^器力江姓理以產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)角找誠正k固輸出??囐惓鲭妷菏羌馑蚕遥┖徒彝遥╋暤囊粋€詡數(shù)。Vx=SxXBXcosVx=SxXBXsin(1)IC的增益靈敏度Sx和Sy緊密相配并與溫度對應(yīng)。因此我們可假定Sx和Sy相等:如果Sx=Sy=S,則有Vy/Vx=SXBXsin/SXBXcos=sin/cos=tan(2)因此,=arctan(Vy/Vx)=Vout(3)每180°角正切函數(shù)重復(fù)且在90°和180°、Vx=0時變成無窮大。因此這可通過如下方程計算:(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)(8)圖4.函為-個基于2軸霍爾IC的典型角度位置傳感囂的切面圖-通過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立于磁體力、溫度效應(yīng)和IC的增益敏感度。輸出成為磁場矢量量的一個函數(shù),并將一直代表磁體在整個360°范圍內(nèi)的絕對機械位置。圖4顯示了一個典型的360°角度誤差,能量可被轉(zhuǎn)移并重新應(yīng)用,而不會損失磁體的絕對位置。圖5.位于非磁性金屆外殼內(nèi)部的泛觸I口耕目關(guān)電子電路也可通過金屬(如段所朝閥)校JRiHW械裝置的旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的DC場能通過任何非鐵磁的材料,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絕對密封的金屬外殼里,從而使其與旋轉(zhuǎn)器件進行機械隔離。這種結(jié)構(gòu)的另一種優(yōu)勢是它可給旋轉(zhuǎn)機構(gòu)施加零“拖動”。例如,如果安裝一個磁體在軸內(nèi)并將一個采用該技術(shù)的傳感器置于外部,則傳感器可測量密封腔里的閥位置(參看圖5)。雖然結(jié)合微控制器計算角度可能被認(rèn)為是一個缺點,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擴展。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。磁體到傳感器的機械調(diào)節(jié)可以僅通過簡單
設(shè)定360°范圍內(nèi)的啟動點來省去。W (B)圖6.雙軸可安裝在單軸湖桿白旋磚軸上?以直授則量解角度■■此裝置可用兩個獨立的感應(yīng)電路提供提供豐富的輸出形式偈)和(S).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簡單的解決方案。圖6展示了一種結(jié)構(gòu),在此結(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。通過在把手兩邊的任一邊安裝一個傳感器,就可形成了一個雙重冗余的操縱桿。其IC位于磁體軸的中心線上。旋轉(zhuǎn)角度可通過計算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)裝置機械和旋轉(zhuǎn)把手的調(diào)節(jié)。Vout=arctan(Vy/Vx)(9)W 間島!7.對于操獨桿應(yīng)用,兩軸倫?可遨在睇萬向幡的中心。在±3口。內(nèi)X和丫的輸出為踐坎.另一個姑祠中「Ia是逐在球形連接處,麗he?還在球正解的中心-雙軸操縱桿大部分雙軸操練桿可通過安裝在萬向軸系統(tǒng)的兩個電位計及從傳感器提取X與Y向的相關(guān)數(shù)據(jù)來測量它們的位置。通過安裝一個雙軸IC在球形旋轉(zhuǎn)的中央并在把手里安裝一個磁體,即可構(gòu)造一個簡單、雙軸的非接觸的操縱桿。(如圖7所示)。.X-AXISRefvoltRefvolt■Output■Y-AXISOutpuL.X-AXISRefvoltRefvolt■Output■Y-AXISOutpuL圖8磁體困隆位于球形晚中牌)的雙軸LG旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的電壓輸出是一正弦輸出〔口輸出位于齡、桿中心位蚤嫗B'理正弦波的展開圖顯示了成G角度為中心的約邨蜩住范虱期讖性C紅色表示)如.1%的F.S.CQ'1IC的X、Y輸出與磁場向量成正比。此向量外形是X、Y平面磁場向量的正弦波,當(dāng)操縱桿位于其中心位置時輸出為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土30。的典型應(yīng)用范圍,故通過此霍爾傳感器產(chǎn)生的線性輸出電壓簡單并能很好地應(yīng)用于非接觸雙軸操縱桿。不需計算,X、Y輸出值也能直接與場強和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,此電路的輸出水平可能須調(diào)校機械位置以補償B和電路敏感度的變化。脂g.雙軸Ic的線性輸出可提蝴^相E±3『內(nèi)的X、¥輸出。其工號V+2.0V輸出要參照I。的172Vdd依:5:M.)參考電壓口輸出與電源電壓比例對應(yīng)。高分辨率傳感器圖10展示了一種得到更高分辨率的方式,以及通過運用兩個X、Y芯片和兩個磁體改善旋轉(zhuǎn)位置傳感器精度的方法。
圖10.妾質(zhì)和單極破■體可以用來產(chǎn)生角度位置瞬確和粗略測量-務(wù)槌感器位于磁體周圍,粗略觥熟在履轉(zhuǎn)輒上(隔處理兩個I。-信號苗基本電路姐(日)所示-與下部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個單極磁體,可通過每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的一個電循環(huán)的正弦和余弦信號進行粗略的測量。與上部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個多極環(huán)磁體,其可通過每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的n個電循環(huán)的正弦和余弦信號提供精確測量,這里n二極對數(shù)(參看圖11)CoarseFine(360/zi)Ouyput^>03060901201£O1S02102402703d。CoarseFine(360/zi)Ouyput^>03060901201£O1S02102402703d。33036。茵11由圖中可見,對于每?完整W案」在粗略傳感器中產(chǎn)生一個周瞬正弦余弦信號,而在部傳感器中骨眄生&個醐的正弦余弦信wdsoE號UU0/號口每個電循環(huán)周期有0.1°的分辨率,因此一個完整轉(zhuǎn)的總分辨率為0.1°/n。如果n=8極對,分辨率則變成0.1°/8=0.0125?;?5arc/秒。下部PCB的粗略信息可用于確定多極環(huán)磁體的哪個部分(極對)在上部PCBIC的前面。在單極或360°/n的測量范圍內(nèi),精度也可通過n的數(shù)量改善(精度二0.5°/n)且一個360°轉(zhuǎn)的整體精度可通過電子校正極大地提高。其精確和粗略信號可由一個微控制器處理以產(chǎn)生一個更高分辨率和更高精度的輸出。羅盤另一個獨特應(yīng)用是電子羅盤(參看圖12),在該裝置中IC被安裝在一個可以自由移動的磁體的上方。(A) (B)12例面圖顯示的北鼬體正位于戲軸傳感器的下方,該雙軸隹蔥器可感應(yīng)與磁體平行的磁場。當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時,隹感器育薩生畛和*輸出所需的正弦和余弦信號(可被轉(zhuǎn)祺為磁體佻)的絕對位置焉搜尋磁力的霞體被安裝茁低部的拖動袖承裝置上以便自由移動歸k由于該磁體旋轉(zhuǎn)和排列的與地球磁場一致,因此它能產(chǎn)生一個與磁體方向一致的場向量。由于磁體的場強遠高于地球的場強(僅60町即600mG),其與傳感器的全量程場強相比太低。較強的磁體場強可通過傳感器檢測到,且當(dāng)羅盤磁體圍繞旋轉(zhuǎn)中心移動時,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。根據(jù)上述角度傳感器的描述,這些輸出信號可被轉(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)無刷直流電機控制如果在無刷直流電機的尾部放置一個雙軸線性霍爾元件并將一個磁體插入軸內(nèi)(如圖13所示),則可從IC產(chǎn)生2相求積控制信號。該線性IC具有100,000rpm的最大角速度,在此應(yīng)用中它的優(yōu)勢在于消除直流無刷電機控制中的人工離散裝配霍爾裝置時出現(xiàn)的間隙誤
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