基于隧道磁阻效應(yīng)的反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量方法*

蔣孝勇,李孟委*,張曉峰,張加書(shū),包旭馨

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原 030051)

?

基于隧道磁阻效應(yīng)的反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量方法*

蔣孝勇1,2,3,李孟委1,2,3*,張曉峰2,3,張加書(shū)3,包旭馨1

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心,太原 030051)

針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)精度低、溫度穩(wěn)定性差、測(cè)量范圍窄等問(wèn)題,提出一種基于隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)的高性能轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)。在沒(méi)有誤差校正的情況下實(shí)現(xiàn)了0.19°的位置檢測(cè)精度,已經(jīng)達(dá)到了工程應(yīng)用中常見(jiàn)的2 000線(xiàn)編碼器精度。本方法在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上布置磁柵環(huán),利用具有高分辨率高頻響特性的隧道磁電阻傳感器對(duì)磁柵微弱磁場(chǎng)變化進(jìn)行檢測(cè),得出頻率隨轉(zhuǎn)速變化的正余弦信號(hào)。實(shí)驗(yàn)分別采用定時(shí)測(cè)角法、定角測(cè)時(shí)法和反正切法計(jì)算轉(zhuǎn)速,結(jié)果表明3種算法中反正切算法檢測(cè)精度最高,可達(dá)1.25%,更適合于隧道磁阻轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)速測(cè)量;隧道磁阻傳感器;反正切;環(huán)形磁柵

轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域,并在速度、角度、角速度、旋轉(zhuǎn)方向等方面的測(cè)量有著重要的貢獻(xiàn)[1-3]。轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要分為:光電式、感應(yīng)發(fā)電機(jī)式、霍爾式、磁阻式等[4]。目前國(guó)內(nèi)外光電式編碼器測(cè)量精度最高可達(dá)24位,位置檢測(cè)精度為0.07″,但光電式測(cè)速方法防塵、防油污、抗震動(dòng)能力差[5-6]。文獻(xiàn)[7]中提到用巨磁阻效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)現(xiàn)的速度測(cè)量精度為0.63%,但位置測(cè)量精度僅為11.25°。江蘇多維科技采用的隧道磁阻轉(zhuǎn)速測(cè)量方法可達(dá)到0.35°的位置檢測(cè)精度。本文采用的是靈敏度最高、響應(yīng)速度最快、溫度穩(wěn)定性最好的第4代隧道磁阻傳感器TMR[8]進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量,以解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量中精度低、響應(yīng)慢、溫度穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

傳統(tǒng)的編碼器測(cè)速算法主要有定時(shí)測(cè)角法,定角測(cè)時(shí)法以及混合測(cè)速法等測(cè)速方法[9-10],但是測(cè)速穩(wěn)定性和測(cè)速延時(shí)之間的矛盾一直是阻礙傳統(tǒng)測(cè)速方法進(jìn)一步發(fā)展的障礙。本文分析對(duì)比3種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法(定時(shí)測(cè)角法、定角測(cè)時(shí)法、反正切法)后,最終采用反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量方法[11],理論上只要ADC采樣頻率和轉(zhuǎn)換精度足夠,可以實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速測(cè)量。

1 隧道磁阻效應(yīng)

隧道磁阻效應(yīng)是一種凝聚態(tài)量子力學(xué)效應(yīng),磁致電阻在室溫下可引起阻值1 056%的劇烈變化[12],并且隨場(chǎng)強(qiáng)增長(zhǎng)成幾何數(shù)增長(zhǎng)。本文基于此提出一種隧道磁阻效應(yīng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量原理,利用磁敏感電阻檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁體導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化,磁場(chǎng)變化引起磁敏電阻中的電子自旋,從而導(dǎo)致隧道磁阻阻值發(fā)生劇烈變化,通過(guò)測(cè)量阻值變化實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。表1給出了4種不同效應(yīng)下的傳感器性能對(duì)比。

表1 Hall、AMR、GMR、TMR性能指標(biāo)對(duì)比

為了對(duì)比ARM、GMR、TMR磁阻效應(yīng)的性能參數(shù),本文搭建了磁屏蔽桶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。同時(shí)測(cè)試標(biāo)定了TMP(P44FP);TMR(Q4V7F);GMR(MTG-L5B);AMR(MT10C)4種磁阻傳感器的靈敏度和線(xiàn)性度指標(biāo)。4種傳感器均采用惠斯通放大電路。磁屏蔽桶不僅可以屏蔽外界磁場(chǎng)干擾,而且可以提供一個(gè)高精度的磁場(chǎng)環(huán)境。磁屏蔽桶可以提供(5.57×10-4～0.890 68)Oe范圍的磁場(chǎng)。信號(hào)發(fā)生器輸出電壓作為磁屏蔽桶的電源,由精密萬(wàn)用表反饋回的電壓值計(jì)算出屏蔽桶內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。具體連接方式如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將傳感器測(cè)試電路板固定在安裝臺(tái)上,保證傳感器的敏感軸方向與桶軸向平行。由屏蔽桶提供步長(zhǎng)為0.05 Oe的磁場(chǎng)環(huán)境。記錄傳感器的差分輸出電壓值。每種傳感器進(jìn)行4組標(biāo)定實(shí)驗(yàn),并用MATLAB分別擬合三種傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示,在同等實(shí)驗(yàn)條件下,TMR傳感器靈敏度要比AMR高一個(gè)數(shù)量級(jí),比GMR高出2個(gè)～3個(gè)數(shù)量級(jí)。TMR、AMR、GMR線(xiàn)性度水平相當(dāng),都能很好的滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

2 轉(zhuǎn)速測(cè)量算法對(duì)比

轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速的工作原理為:磁阻傳感器輸出的電壓信號(hào)頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。檢測(cè)磁阻傳感器的輸出信號(hào)頻率就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。將磁柵安裝在電機(jī)軸端上,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。磁柵環(huán)有44個(gè)磁極對(duì),根據(jù)正反方向的充磁形成交替的N、S極。將磁阻傳感器固定在隨旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的磁柵環(huán)上表面。磁阻傳感器具有兩個(gè)相互正交的敏感軸。旋轉(zhuǎn)的磁柵在磁阻傳感器的上表面產(chǎn)生正弦變換的磁場(chǎng),磁阻傳感器的兩端輸出正弦變化的電壓值。轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理示意圖如圖3所示。

圖3 磁阻式輪速傳感器工作原理圖

①反正切測(cè)頻法

磁阻傳感器輸出兩路正交的正余弦信號(hào),對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采樣周期為t的采樣,得到tn時(shí)刻的兩路信號(hào)的電壓值Vx、Vy,再利用θ=arctan(Vx、Vy)計(jì)算出tn時(shí)刻的角度值θn,θn-1為tn-1時(shí)刻的角度值。利用相鄰時(shí)刻的角度差除以采樣周期得出轉(zhuǎn)速值w。圖4為反正切原理圖。計(jì)算公式如式(1):

(1)

圖4 反正切測(cè)速原理

②定時(shí)測(cè)角法

首先將正余弦信號(hào)通過(guò)電壓比較器轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。然后在一定測(cè)量時(shí)間T內(nèi),測(cè)量脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速(一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)固定角度δ)。在時(shí)間T內(nèi),轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度為αn=m1δ。原理如圖5所示。

圖5 定時(shí)測(cè)角法原理圖

設(shè)在時(shí)間T內(nèi),轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為αn,則的轉(zhuǎn)速w可由式(2)表示。

ω=αn/T

(2)

③定角測(cè)時(shí)法

讓旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)已知角度,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)過(guò)該固定角度所用時(shí)間計(jì)算轉(zhuǎn)速。假設(shè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)m2個(gè)固定脈沖所用的時(shí)間為T(mén)p,一個(gè)旋轉(zhuǎn)脈沖對(duì)應(yīng)的角度為δ,則m2個(gè)固定脈沖對(duì)應(yīng)的角度為m2δ。轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速可由式(3)計(jì)算得到。原理如圖6所示。

ω=(m2δ)/Tp

(3)

圖6 定角測(cè)時(shí)法原理圖

通過(guò)3種算法的原理分析可知,反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量方法理論上只要保證ADC的采樣頻率和采樣精度,可以實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速下的測(cè)量,且測(cè)量精度高。定時(shí)測(cè)角法,在高轉(zhuǎn)速下檢測(cè)精度高,但低轉(zhuǎn)速下存在數(shù)不到脈沖的問(wèn)題,導(dǎo)致測(cè)量精度低。定角測(cè)時(shí)法,在低轉(zhuǎn)速下檢測(cè)精度高,高轉(zhuǎn)速下,檢測(cè)精度低。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了反正切測(cè)量方法檢測(cè)精度高于定時(shí)測(cè)角法和定角測(cè)時(shí)法。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器采用MOXA直流伺服電機(jī)系統(tǒng)。磁柵環(huán)由MOXA直流伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度與旋轉(zhuǎn)時(shí)間通過(guò)上位機(jī)軟件控制。測(cè)速系統(tǒng)包括磁柵環(huán)、TMR磁阻傳感器和信號(hào)調(diào)理電路。轉(zhuǎn)動(dòng)的磁柵環(huán)在隧道磁阻傳感器上表面形成正弦變化的磁場(chǎng)。TMR傳感器輸出相位相差90°的正余弦信號(hào),經(jīng)儀表放大器放大后,進(jìn)行低通濾波,最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸給微控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速解算,再由串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。詳細(xì)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總框圖

傳感器的信號(hào)調(diào)理電路部分作用為對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大檢測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換,并通過(guò)RS232通信協(xié)議傳輸給上位機(jī)軟件。微弱信號(hào)檢測(cè)電路采用AD623儀表放大器,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用AD7689芯片。主控制器為STM32F103。圖8為轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的電路板實(shí)物圖。

圖8 隧道磁阻式輪速傳感器原理樣機(jī)

磁阻傳感器的安裝誤差將直接影響最終的轉(zhuǎn)速測(cè)量精度。磁敏感頭的安轉(zhuǎn)位置取決于磁柵環(huán)周?chē)艌?chǎng)分布。本文采用Maxwell磁場(chǎng)仿真軟件,建模仿真得出的44磁極對(duì)汝鐵硼材料磁柵環(huán)上表面2 mm處的磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)。仿真結(jié)果顯示磁柵環(huán)上表面磁場(chǎng)為正弦分部,旋轉(zhuǎn)的磁柵環(huán)會(huì)引起磁阻傳感器輸出端電壓呈相位相差90°的正余弦變化。能滿(mǎn)足反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量要求。通過(guò)磁場(chǎng)仿真可以更準(zhǔn)確的確定磁阻傳感器與磁柵環(huán)的相對(duì)位置。磁阻傳感器檢測(cè)磁柵環(huán)上表面2 mm處徑向和切線(xiàn)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度(及X方向和Y方向)。

磁珊環(huán)由MOXA直流祠服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),為轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)提供一個(gè)已知的轉(zhuǎn)速信號(hào)源。本文使用STM32單片機(jī)中的atan2(*,*)函數(shù),該函數(shù)的值域范圍(-π,π)。atan2(y,x)可以根據(jù)(x,y)坐標(biāo)確定該點(diǎn)所在象限或是落在某一坐標(biāo)軸上,進(jìn)而避免了特殊角度計(jì)算出錯(cuò)現(xiàn)象。

在角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中通過(guò)直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)讓電機(jī)由靜止到固定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn),采集解算角度數(shù)據(jù)如圖9所示。轉(zhuǎn)速為零時(shí),角度檢測(cè)誤差為0.19°。比江蘇多維科技提供的TMR3101型絕對(duì)位置編碼器角度精度0.35°高43.17%。理論上在反正切轉(zhuǎn)速測(cè)量中,提高ADC的采樣頻率和采樣精度可最大限度地提高角度測(cè)量精度。

圖9 角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

在轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中通過(guò)直流電機(jī)伺服控制上位機(jī)軟件讓電機(jī)分別在0 r/s、1 r/s、2 r/s、3 r/s、2 r/s、1 r/s、0 r/s的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行30 s。通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采集兩路磁阻傳感器的原始數(shù)據(jù)。原始信號(hào)為兩路正交的正余弦信號(hào)。通過(guò)MATLAB分別編寫(xiě)反正切測(cè)速算法、定時(shí)測(cè)角算法和定角測(cè)時(shí)算法解算轉(zhuǎn)速得出如圖10的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3種方法都能正確解算出轉(zhuǎn)速值。

圖10 3種算法所得測(cè)速數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電機(jī)伺服系統(tǒng)上位機(jī)軟件控制電機(jī)以2 r/s的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)采存隧道磁電阻傳感器原始數(shù)據(jù),并通過(guò)MATLAB用3種測(cè)速方法解算電機(jī)轉(zhuǎn)速,得到3種方法的誤差曲線(xiàn)如圖11所示。反正切算法誤差0.025 r/s,占總轉(zhuǎn)速的1.25%;定角測(cè)時(shí)法誤差0.047 r/s,占總轉(zhuǎn)速的2.35%;定時(shí)測(cè)角法誤差0.134 r/s,占總轉(zhuǎn)速的6.7%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反正切算法精度高于定角測(cè)時(shí)法高于定時(shí)測(cè)角法。

圖11 3種算法誤差圖

4 結(jié)論

本文將最新的隧道磁阻效應(yīng)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)中,在沒(méi)有誤差校正的情況下實(shí)現(xiàn)了0.19°的位置檢測(cè)精度,已經(jīng)達(dá)到了市場(chǎng)上主流的2 000線(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼器工程應(yīng)用精度。如果對(duì)本系統(tǒng)中的正余弦信號(hào)進(jìn)行幅值誤差校正、相位誤差校正、正交誤差校正后,本方法的測(cè)量精度仍有大幅提升的潛力。此外依靠本文搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)對(duì)比了反正切算法、定時(shí)測(cè)角算法和定角測(cè)時(shí)算法3種算法,發(fā)現(xiàn)反正切算法精度最高,可達(dá)1.25%,更適合于隧道磁阻轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。

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Method for Measuring the Rotation Speed of the Tunnel Based on the Tunneling Magnetoresistance Effect*

JIANG Xiaoyong1,2,3,LI Mengwei1,2,3*,ZHANG Xiaofeng2,3,ZHANG Jiashu3,BAO Xuxin1

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)3.Center for Microsystem Intergration North University of China,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of the problems of low precision,low temperature stability and narrow measurement range of traditional rotating speed test system,a high performance test system based on the effect of tunnel magnetic resistance(TMR)is proposed. In the case of no error correction,the accuracy of 0.19 degree position detection has been achieved. This method has reached the 2 000 line encoder accuracy in engineering applications. In this method,the magnetic ring is arranged on the shaft to be measured,and the magnetic field is detected by the tunnel magnetoresistive sensor with high resolution and high frequency response. The sine and cosine signals with the frequency change with the speed are obtained. In this paper,we use the method of the timing angle measurement method,the fixed angle time measurement method and the arc tangent methodto calculate the rotation speed. The results show that the arctangent algorithm has the highest detection accuracy of 1.25%,which is more suitable for the measurement system of the tunnel reluctance speed.

rotational speed measurement;TMR sensor;anyway cut;toroidal magnetic gate.

蔣孝勇(1992-),男,河南信陽(yáng)人,中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀研究生,主要從事慣性?xún)x器儀表方面的研究,lmwnuc@163.com;

李孟委(1975-),男,通信作者,副教授,主要開(kāi)展新原理MEMS慣性傳感器及導(dǎo)航研究,專(zhuān)注于MEMS陀螺研究,對(duì)新原理、新效應(yīng)的微納米器件創(chuàng)新設(shè)計(jì)感興趣。

項(xiàng)目來(lái)源:總裝預(yù)研基金項(xiàng)目;國(guó)家自然基金項(xiàng)目(61571405)

2016-11-07 修改日期:2017-03-13

TH868

A

1004-1699(2017)05-0692-05

C:7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.010