基于TLE5012B的多圈絕對角度傳感器設計

周 秀， 牛 勃， 馬飛越， 劉 剛， 孫大偉， 伍 弘

(國網(wǎng)寧夏電力公司 電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

基于TLE5012B的多圈絕對角度傳感器設計

周 秀， 牛 勃， 馬飛越， 劉 剛， 孫大偉， 伍 弘

(國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學研究院，寧夏銀川750011)

多圈絕對角度傳感器是機器人、汽車電子核心部件之一。TLE5012B角度傳感器基于集成巨磁阻(iGMR)技術，可檢測封裝磁場表面360°的變化，實現(xiàn)角度的非接觸式測量。提出了三齒輪機械結構與TLE5012B角度傳感器相結合的分段函數(shù)算法，實現(xiàn)對轉軸旋轉位置高精度、大量程的非接觸式檢測，完成角度傳感器檢測量程與檢測精度的解耦。實驗證明：利用該機械結構的分段函數(shù)算法所設計的絕對角度傳感器可以實現(xiàn)檢測量程可調(diào)，檢測精度達到0.5°。

角度傳感器； 非接觸式； 大量程； 高精度； 分段函數(shù)算法

0 引 言

隨著電機電器、機器人及汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對電機性能及汽車行駛中安全性、舒適性等的不斷追求，高精度、大量程的角度傳感器成為了相應工業(yè)領域研究的一個熱點。目前,TLE5012B高精度角度傳感器主要應用于設備精度校準，溫度、濕度、灰塵、振動等外界環(huán)境,對其檢測精度干擾較大，導致該種高精度傳感器未在工業(yè)中獲得廣泛應用[1～3]。

本文通過對氣體絕緣變電站(gas insulated substation,GIS)設備檢查及異物清理機器人攝像頭轉動角度的測量，設計實現(xiàn)了對轉軸轉動角度進行高精度檢測的角度傳感器。該傳感器基于三齒輪機械結構、STM8AF微處理器及TLE5012B角度傳感器。

1 TLE5012B角度傳感器

2 分段函數(shù)算法

2.1 機械結構設計

本文所設計多圈絕對角度傳感器為應用于GIS設備檢查及異物清理的一種機器人，要求由電機驅動的攝像頭實現(xiàn)正負3周旋轉，具有轉速低的特點，但相應的檢測精度需達到0.5°以內(nèi)，從而對GIS內(nèi)異常信號處的缺陷進行精確定位?；赥LE5012B角度傳感器及STM8AF的微處理器提出了一種基于三齒輪機械結構的分段函數(shù)算法，三齒輪機械結構如圖1所示。

圖1 三齒輪機械結構

圖1中，測量齒輪B與測量齒輪C分別內(nèi)嵌一顆徑向分布的柱形磁鋼并與主齒輪嚙合，在磁鋼下方貼有TLE5012B角度傳感器的印刷電路板(printed circit board,PCB)。當電機帶動主齒輪A旋轉時，齒輪B與齒輪C將以相同的線位移旋轉[5]。

2.2 檢測精度提高

基于圖1三齒輪機械結構，設齒輪A與B和C的齒數(shù)分別為mA,mB,mC，且滿足mA>mB>mC。當主齒輪的轉動行程為n圈時，齒輪B與C由于旋轉相同的位移而分別旋轉了nmA/mB,nmA/mC圈。由于檢測量程與測量齒輪檢測信號差值之間的一一對應關系，主齒輪與測量齒輪的齒數(shù)滿足

(1)

整理可得

盡管武當眾人態(tài)度的轉變和他們所經(jīng)受的痛苦不無關系，但說到底還是因為他們心中始終無法放下“正邪有別”的成見，在感情和理智的矛盾中糾結，甚至在莫聲谷遇害后懷疑是張無忌所為，只因他是和趙敏有所牽連的魔教教主。

(2)

由式(2)知，在主齒輪與測量齒輪固定的情況下，當主齒輪旋轉n圈時，差值信號將出現(xiàn)周期性更新。考慮到GIS檢查及異物清理機器人對傳感器體積的要求，選取主齒輪齒數(shù)為45，齒輪B,C的齒數(shù)分別為15,13。TLE5012B角度傳感器的檢測精度為±1°，所設計角度傳感器檢測精度理論可以達到±0.33°，則更新周期為780°。

設θ1,θ2為所設計角度傳感器某一時刻相對機械零點位置的角度，測量齒輪檢測角度分段函數(shù)為

(3)

式中β1,β2為測量齒輪所檢測到的角度值。由于測量齒輪B,C的檢測精度映射到主齒輪時檢測精度不同，對式(3)所采集到的角度信號進行均值處理，使其更好地收斂于角度傳感器原始的檢測精度，具體表達式如式(4)

θ=(θ1+θ2)/2

(4)

TLE5012B輸出的角度信號經(jīng)過坐標旋轉數(shù)字計算(coordinate rotation digital computing，CORDIC)算法已經(jīng)轉換為線性的角度，當測量齒輪在更新周期時，會發(fā)生角度的躍變。偏差表達式如式(5)

Δrel=mB,C/2mA

(5)

由式(2)知，當測量齒輪發(fā)生周期更新時，三齒輪差值未發(fā)生周期更新，從而通過差值檢測角度對其進行校正。式(3)分段函數(shù)所檢測角度發(fā)生躍變，對所測角度根據(jù)式(5)進行補償，實現(xiàn)角度檢測的連續(xù)性。

2.3 檢測量程擴展

通過檢測精度提高的分析知上述算法檢測量程為780°。而所設計GIS設備檢查及異物清理機器人對檢測量程要求為±1 080°。在式(3)基礎上，以TLE5012B圈數(shù)計數(shù)功能與差值算法780°更新周期相結合，通過式(6)進行量程擴展

(6)

式中 Δ為測量齒輪所檢測角度信號差值;θ=0°為GIS設備檢查及異物清理機器人攝像頭處于回正位置;θ>0°表明此時轉軸向右旋轉;反之向左。n值如式(2)所示；T為量程擴展的周期，其可以隨著檢測量程需求的變化而進行調(diào)整。與式(6)對應的分段函數(shù)如圖2所示。

圖2 量程擴展原理

圖2中當差值信號為負，取其反碼，最終可得線性分段函數(shù)。由于所設計基于TLE5012B的更新周期為10 ms，量程擴展周期基值780°，所設計傳感器檢測角度發(fā)生780°的大范圍變化為周期更新，即量程擴展周期T的變化。

設磁阻式角度傳感器的最大理論誤差為±Δmax，通過式(1)差值關系使檢測誤差放大為±2Δmax，式(6)的角度偏差為

Δ=±2nΔmax

(7)

通過式(7)知若通過式(6)對轉軸的檢測角度進行檢測，則檢測偏差不能達到0.5°的要求。 因此，將式(7)所檢測到的角度信號耦合到測量齒輪B和C的旋轉圈數(shù)，并采用式(3)算法獲取主軸的旋轉角度，該算法實現(xiàn)了角度傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦。但差值法在周期之間過渡時，所耦合的測量齒輪旋轉圈數(shù)將發(fā)生躍變且該方法不具備圈數(shù)記憶功能。本文通過圈數(shù)可靠性流程來實時測量齒輪旋轉的圈數(shù)檢測，如圖3所示。

圖3 可靠性檢測流程

圖3中，在沒有外界電磁等干擾的情況下滿足nC>nB。通過TLE5012B內(nèi)部圈數(shù)寄存器與差值法所得圈數(shù)的對比判斷所設計角度傳感器是否發(fā)生掉電及檢測數(shù)據(jù)丟失，若發(fā)生則繼續(xù)對旋轉圈數(shù)進行檢測，保證所捕獲測量齒輪旋轉圈數(shù)的正確。

3 實驗驗證

電路原理框圖如圖4所示。所設計角度傳感器樣機通過穩(wěn)壓芯片將機器人所需電源電壓降到微處理器的工作電壓。以10 ms為周期與TLE5012B以SPI方式進行通信，通過TJA1050以CAN報文的形式發(fā)送至上位機。選擇如圖5所示10 000 線的光柵編碼器角度檢測系統(tǒng)進行驗證。

圖4 硬件原理框圖

圖5 角度傳感器檢測系統(tǒng)

由圖6知高精度光柵編碼器與所設計轉角傳感器采用同軸固定，通過對步進電機的控制，使兩者實現(xiàn)同軸旋轉，保證所設計多圈角度傳感器對轉向軸旋轉角度檢測的可靠性。最后通過控制器局域網(wǎng)絡(CAN)/通用串行總線(USB)轉換器將檢測角度發(fā)送至上位機，對分段函數(shù)算法的可靠性以及檢測精度進行驗證。檢測結果如表1所示。

圖6 上位機接收數(shù)據(jù)

基值角度分段函數(shù)算法角度偏差 基值角度分段函數(shù)算法角度偏差-999.36-998.760.40472.68473.100.48-765.36-765.050.31789.84789.66-0.18-432.00-432.07-0.071426.321426.670.35-127.08-127.19-0.111536.481536.41-0.07264.24264.730.49

由表1知：所提分段函數(shù)算法的檢測量程與檢測精度分別可以達到±1 500°，±0.5°，實現(xiàn)了角度傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦。通過對TLE5012B及機械結構的分析可知所設計角度傳感器的理論檢測精度為±0.3°。檢測精度發(fā)生偏差是由于齒輪嚙合的過程以及所選磁鋼的磁場強度分布等原因造成[6]。應用該機器人進行GIS設備檢查，如圖7所示。

圖7 GIS設備檢測及異物清理機器人

4 結 論

所設計的角度傳感器采用三齒輪機械結構，通過非接觸式的檢測方法對GIS設備檢測及異物清理機器人攝像頭的轉動角度進行檢測。實驗驗證傳感器具有較高的檢測精度與檢測量程；傳感器不僅可以應用于該機器人，通過機械結構的調(diào)整，亦可應用于電機轉動位移及汽車電子中，具有很高的實際應用價值。

[1] 馬飛越，佃忪宜，游 洪，等.GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人的研發(fā)與應用[J].寧夏電力，2017，2(2)：43-47.

[2] 楊 平,黃妙華,喻厚宇.寬量程方向盤轉角傳感器系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版,2014，6(6)：829-833.

[3] 楊 財，周艷霞.方向盤轉角傳感器研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，26(11)：1-4.

[4] 張英福.巨磁電阻在方向盤轉角傳感器中的應用[J].重慶工學院學報：自然科學版，2009，23(10)：17-20.

[5] 牛 勃，馬新軍，江 龍,等.非接觸式方向盤轉角傳感器檢測算法的研究[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2016,30(4)：18-23.

[6] 周良杰，趙志國.方向盤轉角傳感器誤差成因與補償?shù)难芯縖J].儀表技術與傳感器，2013，11(2)：7-10.

Designofmulti-circleabsoluteangularsensorbasedonTLE5012B

ZHOU Xiu, NIU Bo, MA Fei-yue, LIU Gang, SUN Da-wei, WU Hong

(PowerResearchInstituteofStateGridNingxiaPowerCo,Yinchuan750011,China)

Multi-circle absolute angular sensor is one of the electronic core parts of robots and automobiles.TLE5012B angular sensor，based on integrated giant magneto-resistive (iGMR) technology，can detect 360° variation of encapsulated magnetic field surface and accordingly realize non-contact angle measurement.A piecewise function algorithm integrating three-gear mechanical structure and TLE5012B angular sensor is proposed to realize the high-precision and large-range non-contact measurement of the rotation position of the rotating shaft，accordingly decouple the detection range and the detection precision of the angular sensor.The experiment proves the proposed algorithm, based on piecewise function algorithm integrating three-gear mechanical structure,can realize adjustable measurement range，with the detection precision achieve 0.5°.

angular sensor; non-contact; large range; high precision; piecewise function algorithm

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0090—03

U 463

A

1000—9787(2017)11—0090—03

2017—09—28

周 秀(1986-)，男，碩士，工程師，從事變電設備帶電檢測、無損檢測等方面的研究工作。