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36选7角度传感器怎么使用

发布日期:2020-11-05 16:31

  广泛用于汽车,工程机械,宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统以及注塑机,木工机械,印刷机,电子尺,机器人,工程监测,电脑控制...

  作者:Trevor Buys 和 William Wilkinson Allegro MicroSystems, LLC 简介 无论是工业自动化和机器人技术,还是电动...本应用说明介绍了如何在要求

  无论是工业自动化和机器人技术,还是电动助力转向 (EPS) 和电机位置传感,许多应用都需要监测旋转目标的角度。要设计一种可满足此类应用需求的成功的角度测量系统,必须依照用户的要求。本应用说明介绍了如何在要求传感器在多任务模式下运行的电池供电应用(汽车或非汽车)中使用 Allegro A1339 角度传感器 IC。

  部分汽车角度感应应用要求在熄火状态下仍然具备角位置跟踪能力。在熄火状态下,车内的大部分稳压器都不会运行。因此,必须在熄火状态下仍然可以运行的传感器通常直接由汽车电瓶 (12 V) 供电。此类应用包括但不限于:

  通常情况下,这些电机和安全带系统通过齿轮连接,36选7因此角度传感器 IC 需要计算多个角度传感器旋转。为此,A1339中采用了可以计算磁体旋转圈数的电路。当传感器 IC 连接到汽车电池时,它们还必须具有低功耗模式,以实现高效的电池使用。即使当车辆处于熄火状态时,传感器 IC 仍然必须跟踪磁体的转动计数 (TC) 。即使是设置到低功率模式中时,A1339  仍然可以监控并持续跟踪 TC。这样可以保证系统可以在使用 A1339 时无论系统处于点火模式还是熄火模式都可以

  准确而且持续地跟踪方向盘的位置或安全带的张紧度。从传统意义上讲,这种熄火模式要求需要通过组合相对复杂的机械和电子组件才能够实现。A1339  降低系统复杂程度,并通过执行绝对角度测量和 TC 跟踪来减少多个系统组件,同时可以降低车辆在熄火状态下的电瓶功耗 (70 μA)。

  A1339  是一款基于磁性圆形垂直霍尔 (CVH) 技术的 360°角度传感器 IC,可提供无触点高分辨率角度位置信息,是 Allegro 最快速的 360°角度传感器 IC。它具有包括下列功能的片上系统 (SoC) 架构:CVH 前端、数字信号处理、SPI、ABI/UVW 和 PWM 输出。

  A1339  非常适合用于要求进行高速 0°至 360°角度测量的汽车应用,例如电子动力转向 (EPS)、旋转式换档器 (PRNDL)、安全带张紧器和油门系统。

  A1339  角度传感器 IC 器件设计用于支持各种有应用,而且有多种工作模式,可以按照输出模式或功耗进行设置。

  通过 SPI 或曼彻斯特接口,A1339  能够报告直接角度输出(通过选定的输出接口报告的 12/15 位数字角度输出)或转动计数 (TC) 输出,TC 输出是磁体目标在顺时针或逆时针方向转动的圈数的量化跟踪计数。

  在功耗方面,A1339  可以提供正常功率模式、低功率模式和超低功率运输模式。

  A1339  专门针对电池供电的应用设计,在这些应用中跟踪目标旋转的任务可以分配到两种任务模式中的一种。第一种工作模式可描述为角度跟踪模式,传感器 IC 会跟踪全带宽输出并以全分辨率提供角度输出测量结果(这是 A1339  的正常功率模式)。

  第二种工作模式(低功率模式)可以视为转数跟踪模式。这一模式中,传感器 IC 不需要以全分辨率跟踪角度,跟踪目标的转动计数值足以。

  转数计数值存储在主串行寄存器中,可通过 SPI 或曼彻斯特协议(在 LPM 之外)随时读取。

  在正常功率模式中,IC 消耗最大电流(通常为 12 mA—请参阅 A1339 数据表中的正常模式供电电流规格了解具体数据),以支持全部的功能集并以内部平均设置 (ORATE) 中选择的最高频率更新角度输出寄存器(请参阅 A1339 数据表参考了解更多详细信息)。

  在低功率模式 (LPM) 中,IC 不提供 SPI、PWM、UVW/ABI 或曼彻斯特接口的角度读数,大多数模拟和数字电路都不通电,传感器 IC 周期性地在两个不同的状态之间循环。大多数情况下,传感器 IC 保持在较低功率静态电流“睡眠”状态 (ICC 70 μA)。在这种状态下,电源从模拟换能器移除,不会发生角度测量。

  传感器 IC 定期进入“唤醒”状态,通过降低的功率信号路径监测磁体位置,并更新转数计数 (ICC ≈ 7 mA)。用户可以根据具体应用通过对片上 EEPROM 存储器进行编程来调节低功率模式运行的睡眠时间。图 2 中显示了平均 ICC (单位为 μA)与可编程的睡眠时间 (tSLEEP)。

  SPI 输入引脚(MOSI、SCLK、CS)被用作 LPM 的主判优器。当所有三个引脚均为低电平至少 60μs 时,传感器 IC 将进入低功率模式(“唤醒”状态)。ABI 和 PWM 引脚是三态的,并且大多数数字和模拟电路都关断。如果满足条件 [BT1],则传感器 IC 将进入“睡眠”状态,并且周期性地在“睡眠”和“唤醒”状态之间循环,以监视磁体的位置并更新转向跟踪。

  WAKE 引脚用于从外部强制“唤醒”[BT2] 状态。WAKE 引脚达到可编程阈值以上时,传感器 IC 将进入跟踪“唤醒”状态并监视位置的转弯。同样,如果观察到过大的 RPM,则传感器 IC 将进入“唤醒”状态,以防止错过磁旋转。

  某些由电池供电的应用要求在长期储存和/或运输过程中 IC 保持极低的功耗(例如新车从装配线运输到经销商的过程中)。为了满足这一需求,A1339 提供了超低功率模式,称为运输模式。运输模式用于将 A1339 设置到深度睡眠状态,保持极低的功耗。在这一模式中,传感器 IC 不会跟踪角度或转动计数。通常情况下,在运输模式中每颗 IC 晶片的电流消耗量仅为 45 μA。

  A1339 设有 WAKE 输入引脚。这一引脚用于从低功率模式中唤醒设备,这一唤醒引脚用于特殊情况,尤其是当电动机加速度过高、系统无法等到通过整个低功率睡眠阶段时。当 WAKE 引脚上的电压阈值超过 VWAKE(HI) 时,IC 将从睡眠状态转醒并开始持续跟踪转数。这一引脚通常会连通由所用的电动机发出的反电动势电压信号,信号经过筛选。这样可以保证在发生高加速度的情况下可以快速获得电动机对转动计数电路的反馈。星型三相电动机的反电动势的波形表述符号以及样本筛选电路如下所示。

  当 WAKE 引脚电压上升到 VWAKE(HI) 以上时,A1339  将从睡眠状态进入唤醒状态,并且在电压降至 VWAKE(LOW) 以下时恢复。

  WAKE 引脚的高阈值电平、以及低值和高值之间的滞后可通过 EEPROM 进行编程。这允许各种电机设计和整流电路实施中的 LPM 睡眠的进入和退出与特定 RPM 值一致。值通过两个 EEPROM 字段控制,“wp_thres”调整 VWAKE(HI) 的阈值,“wp_hys”控制 VWAKE(HI) 和 VWAKE(LOW) 之间的迟滞。

  A1339  可以基于不同的系统参数在正常功率模式 (NPM)、低功率模式 (LPM) 和运输模式 (TPM) 之间切换。类似地,传感器 IC 将基于磁旋转速率或超过 WAKE 引脚阈值 (VWAKE(HI)) 在 LPM 的两种不同操作状态之间转换。这种方案可以保证传感器 IC 在低功率模式中运行时不会因为目标旋转过快而造成有价值的 TC 信息丢失。

  为了便于理解,我们可以想象一些与图 5 中的状态图 和表 3 中显示的信息相似的情况。假设,传感器 IC 通电并处于正常功率模式。因此,传感器可以提供表 3 中所述的正常功率模式下的所有功能。现在,如果控制器决定需要进入低功率模式以节约功耗,则需要满足图 5 分支 A 中列出的所有条件。

  传感器 IC 首先在唤醒状态下进入 LPM,如果分支 B 中的条件得到满足,则传感器 IC 将进入睡眠状态,并根据编程的

  tSLEEP 自动在唤醒和睡眠状态自豪间切换。反过来,传感器 IC 可以通过满足分支 C 的先决条件而从外部强制切换到唤醒状态。

  在 LPM(唤醒或睡眠状态)期间的任何时间,均可以通过将任何 SPI 输入线提升到超过 VIL 而重新进入 NPM。

  在满足状态图分支 A、B、C、D 或 E 中规定的对应条件时,系统可以以类似的方式在正常功率模式、36选7。低功率模式和运输模式之间切换。

  * TC 值在 LPM 中跟踪,但只能在退出 LPM 之后方可读取,且为只读数据。

  传输模式类似于 LPM,但不会有周期性唤醒来跟踪转动。这允许传感器 IC 保持连接到带电电压源,同时消耗最少的电流。

  降低 SPI 线路之前必须启用传输模式。在 CTRL 串行寄存器 (0x1E) 中的“特殊”操作字段写入 6 即可。

  在启用后,下次传感器 IC 检测到 LPM 请求(由 SPI 线减低指示)时,它将进入传输模式。

  A1339  实现了 LPM 功能的重要可编程性,例如转动大小、LPM 期间的睡眠时间和转动之间的最大角度增量。控制此功能的 EEPROM 字段如表 5 所示。

  如果测得的 RPM 超过此值,则 A1339 不会重新进入“睡眠”状态,而是连续监视转动,直到 RPM 下降到默认阈值以下。

  速度阈值。还在正常功率模式下用于决定进入 LPM。12 位角分辨率。0-180 度。默认为 59°。

  在 LPM 中,A1339 定期退出睡眠模式以监视磁位置并更新转数。此睡眠周期决定最终的 LPM 电流消耗以及可以安全跟踪转数的最大 RPM。

  确定传感器 IC 休眠时磁体行进的角度距离由运动学方程决定,如方程 1 所示。

  其中 θ 是的最大期望角行程,通过“lpm_wake_threshold”字段设置。

  图 6 显示给定睡眠时间的最大 RPM,假设每个睡眠周期 (lpm_wake_threshold) 默认为 59° 最大角偏移。选择默认角度偏转时,需使得当使用默认睡眠时间时,A1339  在 100 RPM 时退出睡眠模式。由于该值是 EEPROM 可编程的,因此可以将其调整为稍微不太保守的值。Allegro 建议在调整该值时,将其设置为不大于90°(如果在一个睡眠周期内检测到大于 135° 的磁体偏转,将出现 TCW 警告标志)。这提供了 180 度的安全余量,在此之后的相对方向改变是不明确的。

  从图 6 可以看出,最大预期加速度对可使用的睡眠时间长度有限制。这是由于方程 1 中的 α 项在高加速度下成为主要因素。

  即使初始速度为 0 RPM,在 150 ms 的时间保持 6000°/s2 的恒定加速度也将导致大于 59° 的角度偏转。因此,决定睡眠时间长度的不仅仅是最大的RPM,还包括最大加速度,因此包括最终的 LPM ICC 值。

  在设计系统时,考虑 RPM 和电流而不是 RPM 和睡眠时间,往往更有用。以这种方式设计时,最大 RPM 与 LPM 电流消耗具有相对的线 显示了这种影响。

  除了提供非接触式磁体角度感应的标准优点外,A1339  还可以在要求低功耗的严苛的电池供电(包括汽车)系统中运行。最后,A1339  可以在正常功率和低功率模式下跟踪转动计数,可以完美实现对复杂机械设计的简化,从而实现在熄火状态下跟踪磁体目标位置的同时不牺牲系统的整体稳健性和可靠性。

  本文中所含的信息不构成 Allegro 就本文主题而对客户做出的任何表示、担保、确保、保证或诱导。本文所提供的信息并不保证基于此信息的流程的可靠性,亦不保证 Allegro 已探究了所有可能出现的故障模式。客户负责对最终产品进行充分的验证测试,以确保该产品是可靠的,并且符合所有设计要求。

  角位移传感器,又叫角度传感器,角位移传感器主要是用来测量轴或者轮子的角度的,结构与电机的外形差不多,都是一个外壳加一根连接轴,不过角位移传感器的体积要小很多。

  角位移传感器的外形尺寸有很多种,用的最多的是3806的和4206的,3806的是数字量脉冲输出的,4206的是模拟量输出的,安装尺寸孔的位置都是一样的,而且轴径也一样,所以设计尺寸的时候安装尺寸考虑的不用特别多。

  角位移传感器不是只把两根轴连在一起就行,而是要分好几个点安装,角位移的壳体是要固定好的,不然使用过程中如果有震动或者外力,轻则造成数值不准,重则造成传感器本体的损坏。

  角位移传感器的连接轴和设备的连接轴不能硬性接触,而且要保证传感器的轴和设备的轴完全是同心的,而这个又比较难实现,于是就是需要用到联轴器了,它能利用自身的柔韧性来改啥两轴之间的倾斜。如果没有联轴器很可能因为硬性接触造成传感器连接轴的损坏。

  角度传感器是指能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。角度传感器,顾名思义,是用来检测角度的。它的身体中有一个孔,可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时,轴每转过1/16圈,角度传感器就会计数一次。

  往一个方向转动时,计数增加,转动方向改变时,计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时,它的计数值被设置为0,如果需要,你可以用编程把它重新复位。

  通过计算旋转的角度可以很容易的测出位置和速度。当在机器人身上连接上轮子(或通过齿轮传动来移动机器人)时,可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度,你也可以用它除以所用时间。

  磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件,利用磁信号感应非接触的特点,配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器。

  1、工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量.

  电容式角位移传感器用于测量固定部件(定子)与转动部件(转子)之间的旋转角度,因其具有结构简单,测量精度高,灵敏度高,适合动态测量等特点,而被广泛应用于工业自动控制。

  一般来说,电容式角位移传感器由一组或若干组扇形固定极板和转动极板组成,为保证传感器的精度和灵敏度,同时避免因环境温度等因素的改变导致介电常数、极板形状等的间接变化,进而对传感器性能产生不利影响,对传感器的制作材料、加工工艺以及安装精度提出了较高要求,为了克服电容角位移传感器的局限性,国内外科学工作者进行了长期的大量研究工作,其主要思想方法是将传感器设计成差动结构。

  由敏感元件、测量电路、智能部件与接口部件构成,敏感元件的结构所示如图1,测量部件由选择单元、激励源和电荷检测单元组成;智能部件由I/O单元、A/D单元、滤波单元、角度计算单元等组成;接口部件由电流输出单元、RS232通讯单元等组成。

  敏感元件检测反映角度位置的电容值,是传感器的初始转换单元,测量单元采用了先进的抗杂散微小电容检测电路,将电容值转换为电信号,智能部件的主要功能是通过比例式算法计算出角位移量,最后由接口部件输出角度计算结果。

  倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。

  理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。

  如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

  当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

  上海开地电子有限公司是一家专业的传感器系统及配件成套服务供应商。公司目前所生产及代理的产品有:拉绳编码器、电机编码器、旋转编码器、磁栅尺、接近开关、光电传感器、磁致伸缩位移传感器、倾角传感器、拉绳位移传感器、超速开关、测速电机、减速机、联轴器、皮带轮、链条、电缆、控制器及其相关附近等产品,欢迎选购(本文转载自,转载时请注明出处)。

  为实现恶劣环境下角度值的测量,分析了各类角度传感器的优缺点,本文介绍了一款基于MLX90316的非接触式、低成本、高分辨率,高抗干扰的磁性角度传感器的设计方案。

  本方案中所设计的整个系统重点分析了信号采集模块的实现原理和影响测量精度的机械结构,通过微处理器实现角度值的解算,在此基础上编写软件算法。实验证明本方案所设计的角度传感器的精度能达到0.5°,可广泛运用于汽车、电机等工业领域中,满足所要求的技术指标。

  角度传感器广泛应用于汽车、机械、航空、航天、航海、工业自动化等领域。它主要分为接触式和非接触式两种,由于接触式的角度传感器随着使用时间的增长,会存在机械磨损、精度降低、经常维修甚至更换新设备等缺点,这不仅提高了生产成本还容易使被测设备的质量没保证,而非接触式角度传感器则克服了这些缺点。常用的非接触式角度传感器有光电式和磁电式的。光电式的虽然精度比磁电式的高,但对环境要求苛刻、抗震性也较差,因此也就不适用于环境较复杂的工业场所。正是基于这些问题,设计一种基于磁电式的角度传感器,它具有成本低廉,抗干扰性高,分辨力在0.5°以内等优点。

  整个系统有四部分组成,分别为电源模块,磁传感器信号采集模块、微处理器模块、信号输出模块,硬件框图如图1所示。

  磁传感器信号采集模块主要通过集成有双轴霍尔元件的集成芯片感知角度的变化,并以模拟信号或数字信号方式输出到微处理器中,经过一定的编码和解码,由微处理器输出工业用的电压或电流信号,或者以串口通信方式输出数字信号。为了减小系统的复杂度和误差来源,信号采集单元选择Melexis公司的MLX90316芯片。它属于CMOS霍尔传感器,可以输出与芯片表面平行的磁场相对应的角度位置信息,并以SPI的串行通信方式输出数字信号,省去了A/D转换电路,这极大的减小了系统设计的复杂度。微处理模块选用Freescale公司的MC9S08DZ60,它是一款小体积、低成本、低功耗和较多外部接口的16位微处理器。

  它具有24路12位的A/D通道、控制器区域网络(MSCAN)、串行外围设备接口模块(SPI)、串行通信接口(SCI/USART)、内部集成电路总线(IIC)等外设数字接口,很适合与外界进行数字信号通信。

  角度传感器的机械结构主要有三部分组成,分别为旋转轴、磁铁和检测电路。其结构如图2所示。

  旋转轴、磁铁和传感器位置的机械偏差将决定系统测量的精确度。相比于理想的Sine和Cosine输出曲线,机械误差可以导致附加的电压偏移、相位偏移、幅度变化以及非线性误差等。

  磁铁到传感器轴距的下限由饱和效应(电气或磁场)所决定,上限由信噪比、信号与偏移电压的比例来决定。

  由于旋转轴在运动过程中产生的机械磨损以及震动产生的轴偏移位置都将导致角度输出信号的非线揭示了磁铁轴心的非线性度导致的角度误差。

  由图3可知磁铁的轴心偏离的越大,最终输出的角度误差越大,因此要保证输出角度的精度,所选取的磁体的轴心的偏离度应满足一定的同心度。

  硬件电路的核心是磁传感器信号采集模块,它主要是利用磁传感器芯片MLX90316来实现的,它可以把磁场的变化转化为角度信息。信号采集电路如图4所示。

  MLX90316芯片是集成了Tria度isTM型的CMOS霍尔传感器,当外加磁场的分量与芯片表面平行时则可输出两路正交磁场信息,根据这一特点可以获得对应的角度位置信息,它的内部结构如图5所示。

  当小型磁铁(径向磁化)在芯片表面上方旋转时,MLX90316芯片内的集磁片(IMC)可以将平行作用于芯片表面的磁场集中起来,并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量,再通过两对位于IMC下方的传统平面霍尔元件来检测此信号。这两对霍尔元件的放置方向相互垂直,并都平行于芯片表面(X轴和Y轴方向),通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90°的正弦信号x V和y V ,并正比于磁场强度。

  这两路霍尔信号将通过一个完全差分、带有经典偏移消除技术的模拟处理链进行放大、采样。调节后的模拟信号再通过ADC(可编程为14bits或15bits)转换为数字信号,之后这两个数字信号再通过芯片内部的由DSP实现的反正切函数计算模块来计算角度,计算公式为:

  MLX90316的偏移误差、灵敏度误差和垂直度误差都会对输出的角度信息产生较大的影响。虽然芯片内部使用了动态偏移电压消除机制,并且可以在一定程度上通过芯片内置的DSP模块来调整它们之间的正交性,但这些误差仍会反应在传感器的输出信号上。通常由芯片本身所产生的误差在0.3度以内。

  传感器输出的表征当前角度值的信号可以以串行数字通信(SPI)方式输出,也可再通过D/A转换器变回模拟信号,以PWM模式或模拟量形式输出。为了满足设计电路的结构简单、成本低等要求,这里选择的是SPI输出模式,避免了模拟输入带来的额外误差源。

  由于MLX90316所获得的角度信息是以SPI模式输出的,因此程序设计的关键就是SPI通信的实现。SP总线接口是一种同步串行外设接口它是是一种由4根信号线构成的串行接口协议。这4根信号线分别是:时钟线(SCK)、数据输入线(MISO)、数据输出线(MOSI)和从设备使能线(SS)。SPI接口中,MC9S08DZ60作为主控端,MLX90316作为从属端。SPI通信模块主要让MC9S08DZ606读MLX90316输出的数字信号。

  SPI的通信过程为:主控端先输出一个0xAA以及一个0xFF作为通信起始信号,接着输出8个0xFF,而从端会同时输出2个0xFF、4个字节的角度信号以及4个0xFF,从而完成一次数据通信。具体的通信时序如图6所示,软件流程如图(7)所示。

  基于以上理论分析和实际测量,实测数据如表1所示,角度θ的误差在0.5度以内,满足所要求的技术指标。

  本文在为实现恶劣环境下角度值的测量的基础上,介绍了一款基于MLX90316的非接触式、低成本、高分辨率,高抗干扰的磁性角度传感器的设计方案。方案利用霍尔传感器MLX90316所设计的磁性角度传感器具有非接触式、高精度、高抗干扰等优点。通过对机械结构和硬件电路的分析,找出误差来源,在此基础上编写软件算法,实现角度值的测量,精度能达到0.5°,满足所要求的技术指标,可广泛运用于汽车、电机等工业领域中。

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  在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算,还有更多的需要多留心(有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论)。

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