【磁编码器总体设计方案3900字】

11-PAGE磁编码器总体设计方案综述1.1磁编码器的总体结构图3-1系统总体框图磁编码器共分为信号产生、信号采样、信号处理、信号输出四个部分。信号产生部分由磁铁和磁敏感传感器组成。在电机轴上安装合适的磁铁，使电机转动时产生相应转动的磁场，本设计根据设计原理，采用单对磁极的磁铁。在电机转轴上非接触地安装磁敏传感器，将转动的磁场信息高速地转化成电信号，本设计最后对比方案，选择了较为成熟的TMR传感器。TMR传感器生成两路正交的正余弦信号，由双通道模数转换器ADC进行采样，两路信号输入现场可编程门阵列FPGA中进行信号的处理与解算，得到电机的角度、角速度等信息。最后通过FPGA实现SPI输出接口。1.2磁场的分析与构建磁编码器中往往采用磁栅作为充磁的方案，磁栅的磁场强弱、轴向或径向的充磁方式、磁极的对数等参数对于原始信号的质量有着至关重要的影响，同时也决定了后续处理电路的方案和复杂程度。磁栅根据性质可分为环形或者是线形[19]，根据磁极的对数又可分为单磁极磁栅和多磁极磁栅[1]，如图3-1所示。单对磁极磁栅多对磁极磁栅按磁极对数分类环形磁栅单对磁极磁栅多对磁极磁栅按磁极对数分类环形磁栅线形磁栅单对磁极磁栅只有一对N-S磁极，随着电机转动一周时，传感器输出一个周期的正余弦信号。使用时一般在其磁场方向上位置正交地安装两个磁敏感元件，以采集到两路正交的正余弦模拟信号，如图3-2所示。由于其结构简单，体积较小，适用于小型化的磁编码器。但是由于电机每次转动只产生一个周期的信号，因此难以直接用于对精度和分辨率有较高要求的编码器，而需要对信号进行倍频处理，增加了后续处理电路的难度，因此一般只用于对分辨率要求较低的磁编码器。图3-3单对磁极磁栅信号发生示意图多对磁极磁栅由均匀分布的多对磁极组成，如图3-3所示，当磁栅跟随电机转动时，每对磁极会跟随着转动相应地靠近磁敏元件，因此磁敏元件会根据磁栅磁极的对数，产生相应的多个周期的正余弦信号，周期的数量与磁极的对数相一致。因此，磁极的对数对于信号的分辨率起着决定性的作用，同时磁场的质量也决定了信号质量的好坏。图3-4多对磁极磁栅示意图除此之外，多对磁极磁栅中还有一类双码道磁栅，结构为同心圆形状的两环多极式磁栅，分为主码道和游标码道，两个码道磁极对数相差1对，如图3-4所示。该类磁栅由于结构设计的特殊性，可以采用游标原理的解算方式对信号进行解算，在解算算法上有一定的优势，但是由于其磁栅结构复杂，因此对于成本的要求较高，在磁编码器小型化上也有一定的局限性。图3-5双码道磁栅结构图本论文对于磁编码器的分辨率和精度没有很高的要求，同时由于双码道磁栅对于器材的要求较高，而在信号处理上则较为简单，与本论文的设计方向不符，因此最终了单对磁极磁栅作为构建磁场的方案。1.3磁敏感元件分析与选择磁敏元件主要分为基于霍尔效应和磁电阻效应两种。霍尔效应（Halleffect）是指当导体或者半导体处于一个磁场内，且有电流流经时，导体或半导体内的电荷载流子受到洛伦兹力而偏向一边，从而产生霍尔电压的现象。霍尔效应于1879年由埃德温·赫伯特·霍尔（EdwinHerbertHall）在马里兰州约翰霍普金斯大学攻读博士时发现，其电势差可以表示为： （3.1）霍尔传感器是一种使用霍尔效应检测磁场的存在和大小的传感器，如图3-5所示。它的输出电压与磁场强度成正比，是一种常用的磁场测量器件,具有结构简单、非接触、磁电转换惯性小、成本低、体积小、寿命长等特点,但是由于其工作原理和材料，其精确性容易受到环境温度变化的影响，往往需要加入温度补偿电路和算法。图3-6霍尔传感器工作示意图由于解算磁场的角度、角速度信息需要至少了解磁场的二维平面信息，因此我们需要二维的磁敏传感器数据。本论文设计了三种利用霍尔元件的方案，其一是利用Melexis公司的集成三维霍尔角度位置传感器MLX90393,该芯片是一款绝对式角度传感器，能够同时提供XYZ三轴的磁场强度信息，可以通过SPI协议对其进行寄存器配置，从而选择需要读取的各轴磁场信息和温度数据，使用便捷直观，示意图如图3-6所示。但是由于其最大数据输出速率仅为717HZ，无法满足论文对于磁编码器高速的要求。图3-7三维霍尔角度位置传感器MLX90393系统框图第二种方式是利用线性霍尔元件来采集磁场强度信息。霍尔线性传感器由霍尔元件、放大器和输出跟随器组成，输出模拟量。其输出与通过其自身的磁场强度成正比，根据磁场极性和强弱而改变其输出电压，通过输出电压的改变可以得知相应角度信息的变换，输出电压与的磁场极性和强度的转化关系恒定，具有体积小，输出信号噪声低，正负磁场均可感应等优势。方案设计通过两个分立的线性霍尔元件独立采集磁场数据，由这两个芯片的物理位置正交关系来实现输出信号的90°相差，同时设计了温度传感器，采集环境温度信息，用以解算的时候进行温度补偿，设计示意图如3-7所示。图3-8线性霍尔方案PCB设计第三种基于霍尔效应的方案是利用双码道磁栅和IC-Haus公司的IC-MU芯片，根据游标原理进行数据解算，这样的方案对于解算算法和补偿算法的要求都比较低，但是对于芯片和磁栅的选择有固定的要求，根据前文磁栅的选择中所提到的原因放弃本方案。此外，磁敏传感器选择还有磁敏电阻型磁编码器方案。其中又分为基于各向异性效应(AMR)、巨磁阻效应(GMR)、隧道磁电阻效应（TMR）的。其中前两种效应具有灵敏度较低，功耗较大等缺陷，而新一代磁敏传感器TMR传感器则具备输出信号强度高、灵敏度高、精度高、分辨率高、功耗低、温度性质好等优势。TMR传感器主要由自由层和固定层两个磁性层构成，固定层的磁化方向固定，不随着外界磁场变化而变化，而自由层的磁化方向跟随外界磁场变化，当磁栅跟随电机转动时，传感器的电阻就跟随两个磁性层之间的夹角变化而呈现正余弦变化，因此能够根据TMR传感器输出的电压检测该位置磁场的方向。其使用方法如图3-8所示。将一个单对磁极磁栅固定于电机转轴之上，同时置于TMR芯片上方，当电机转动时，TMR传感器就会随着输出两路正交的正余弦信号，如图3-9所示。这些正弦和余弦信号由两个正交惠斯通全桥TMR角度传感器提供。每个全桥TMR角度传感器包括四个独特的高场TMR传感器臂，以推挽方式连接，以产生高达90%电源电压的最佳峰间信号，在许多应用中消除了放大的需要，同时由于磁场在1000奥斯特范围内变化，保持了较低的误差。图3-9TMR传感器工作示意图图3-10TMR传感器输出波形示意图1.4信号处理算法分析磁编码器的设计中，解算算法的选择往往是与磁栅、磁敏元件的选择相对应的。要想高速地完成磁场角度数据的解算，解算算法是信号处理的核心部分，目前常用的信号处理算法包括反正切算法、定标查找算法、游标原理算法和CORDIC算法等。1.4.1反正切算法反正切算法通过对两路正交的正余弦信号进行反正切运算得到磁场的角度信息。在电机附近按垂直的位置关系摆放两个磁敏元件，得到两路正交的信号： （3.2） （3.3）其中，U1、U2是传感器输出的两路信号，Umax是输出最大电压，θ是磁场的角度。 （3.4）算法的逻辑简单直观，但是涉及到大量的浮点数运算以及三角函数运算，对于FPGA的硬件资源占用很大，计算时间消耗也长，不利于高速实时求解。1.4.2相定标查找法定标查找法主要是利用查找表原理（Lookuptable,LUT），将电机转动一周的物理角度与经ADC转换后的数字信号相对应，然后制成对应的的数据表，按照预先设定的顺序存储在FPGA的存储器中【】。磁编码器在数据解算时的查找表及角度值修正都是依据该数据表进行的中【】。磁编码器根据磁敏元件输出的信号，在存储器中找到相对应的电机物理角度值，并将该角度值直接输出。该算法大大降低了微处理器的计算量，对硬件资源的消耗比较小，显著提高的运算速度，但是缺陷在于带存储资源消耗很大，对于磁栅和信号噪声的要求很高，同时，由于制作角度数据表的曲线不是完全线性的，因此标定查找算法的输出会存在一定的系统误差，难以简单地通过软件消除【】。1.4.3游标原理法游标原理由法国数学家PierreVernier发明，该算法原理直观，计算难度低易于实现，因此目前已成为常用的工程测量算法。该算法需要两个信号，一个为主信号，一个为游标信号，同为正弦波信号，当双码道磁栅跟随电机转动一周时，两个信号输出周期不同的正弦信号，信号经过的周期数量相差一个，在解算时，根据两个信号周期相差的相位差，可以得到电机转动的角度。使用游标原理对于硬件资源的消耗较小，可以使解算算法大大简化，实现高速实时的解算，但是对于磁栅有特殊的要求。1.4.4CORDIC算法CORDIC（coordinaterotationdigitalcomputer）是一种迭代算法，由JackE.Volder在1959年提出。该算法它所需的操作只有加法，减法，移位和查找表，它们都属于移位加法算法的类别。因此，CORDIC是一种简单有效的计算三角函数，双曲函数，平方根，乘法，除法以及具有任意基数的指数和对数的算法，J.Walther在1971年对算法进行了改进，提出了统一的CORDIC算法（TheUnifiedCORDICalgorithm)，通过引入一个坐标参数，将直线、圆周、双曲旋转统一到了一个迭代式（3.5）中，使其能够计算更多函数，包括矢量求模、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、正定矩阵的Cholesky分解及Toepliz方程组的解、矩阵的QR分解以及特征值的求解、滤波器、最小二乘法、矩阵的奇异值分解等【】。 （3.5）CORDIC算法是基于向量旋转或者坐标旋转来实现数值逼近的数字迭代算法,其基本思想是:用一系列预先设定好的特定角度的多次迭代偏摆来逼近所需数值。CORDIC算法包括旋转模式和向量模式，其原理如下：图3-11CORDIC旋转示意图根据坐标旋转的原理，可以求得： （3.6）其中θ为旋转角度。n次旋转后经式（3.5)可以得到迭代式为： (3.7)其中，为了让运算简化为加法和移位操作，预先对θn的值做了确定: (3.8) dn为-1或1中的一个数，代表旋转的方向，因此 （3.9）经多次