操縱桿角位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

劉闖，韓嘉驊，張寧寧，趙志遠(yuǎn)

操縱桿角位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

劉闖，韓嘉驊，張寧寧，趙志遠(yuǎn)

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

為克服操縱桿接觸式角度傳感器帶來(lái)的機(jī)械磨損從而影響輸出特性的缺陷，采用TDK-Micronas公司最新款的磁傳感器編程器TDK MSP V1.0為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以HAL 3725霍爾芯片設(shè)計(jì)出一種非接觸式角度霍爾傳感器。通過(guò)對(duì)傳感器芯片的選型，傳感器模型與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，硬件電路的設(shè)計(jì)以及編程器對(duì)傳感器標(biāo)定的軟件流程控制，最終經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集出傳感器數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與接觸式傳感器相比信號(hào)波動(dòng)小，更加靈敏，減少機(jī)械磨損，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式角度傳感器的設(shè)計(jì)。

操縱桿；HAL 37xy；非接觸式；傳感器標(biāo)定

操縱桿作為一種重要的人機(jī)交互接口，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、生產(chǎn)自控、船舶、軍工等眾多領(lǐng)域，而角度傳感器是操縱桿中重要的感知器件[1]。傳統(tǒng)操縱桿主要由普通電位計(jì)和機(jī)械部件直接接觸，在諸如劇烈震動(dòng)和極端溫度等條件工作環(huán)境中，由于電位計(jì)的機(jī)械磨損會(huì)逐漸導(dǎo)致誤差增大，縮短生命周期影響角度傳感器的輸出特性[2]。那么非接觸特性就顯得至關(guān)重要，本文通過(guò)對(duì)HAL 37xy系列霍爾芯片的研究，設(shè)計(jì)一款可以取代普通電位計(jì)的非接觸式霍爾角度傳感器[3-5]。主要原理通過(guò)對(duì)HAL 37xy霍爾芯片施加偏置電壓以及磁場(chǎng)，取得與磁場(chǎng)成比例的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式傳感器的測(cè)量定位[4,6-7]。

1 HAL 37xy系列霍爾芯片的選擇

HAL 37xy系列霍爾芯片是由德國(guó)的著名的TDK-Micronas公司基于Micronas的3D HAL(R)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的第二代用于測(cè)量線性位移以及旋轉(zhuǎn)角度的霍爾元件，與第一代用于測(cè)量線性位移以及旋轉(zhuǎn)角度的霍爾元件相比，第二代霍爾元件具有更加完善的線性位移和角度測(cè)量性能，其線性測(cè)量誤差降低25%，而其角度測(cè)量誤差更是降低30%有余。基于Micronas 3D HAL(R)技術(shù)的先進(jìn)性，第二代霍爾芯片可以在低至±20 mT的磁場(chǎng)環(huán)境中工作，并且其在特定的溫度范圍內(nèi)具有良好的漂移表現(xiàn)。如圖1所示為HAL 37xy霍爾芯片實(shí)物圖[8]。

圖1 HAL 37xy霍爾元件

傳統(tǒng)的平面霍爾技術(shù)僅對(duì)正交于霍爾芯片表面的磁場(chǎng)敏感，除了正交磁場(chǎng)外，HAL 37xy對(duì)平行于霍爾芯片表面施加的磁場(chǎng)也很敏感。通過(guò)將垂直于霍爾板集成到標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，使得三個(gè)磁場(chǎng)分量B、B和B成為可能。其通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)的正弦和余弦分量來(lái)捕獲磁場(chǎng)矢量，這為各種位置檢測(cè)提供了一種潛在的應(yīng)用程式，例如線性位移、旋轉(zhuǎn)角度、通軸角度測(cè)量等。

HAL 37xy系列霍爾芯片包括三個(gè)子系列，其中HAL 371x和HAL 372x可提供一個(gè)12位比例線性模擬信號(hào)輸出模式，并且?guī)в猩侠蛳吕娮杵鞯募蓴嗑€檢測(cè)功能。與HAL 372x相比較，HAL 371x系列霍爾芯片將360°測(cè)量范圍分成四個(gè)重復(fù)的90°（MOD 90°）或三個(gè)120°（MOD 120°）段。而HAL 373x系列霍爾芯片具有數(shù)字輸出模式，包括PWM模式和SENT模式，數(shù)字輸出模式是可編程的，PWM模式輸出可配置為0.2～2.0 kHz之間的頻率，最高分辨率為12位。根據(jù)操縱手柄的應(yīng)用需求，主要是用來(lái)代替普通接觸式電位器或者編碼器。故選擇模擬量輸出，且不需要測(cè)量角度模數(shù)的選擇，因此對(duì)于操縱手柄而言最合適的芯片就是HAL 372x系列芯片。

要實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量，如圖2所示為軸端或軸側(cè)裝配方案測(cè)量0～360°角度的裝配方式，軸端裝配的方案更適合操控手柄的角位移測(cè)量，對(duì)于軸端裝配方案，可測(cè)量的磁場(chǎng)分量為B和B，因此最終確定選擇型號(hào)為HAL3725的霍爾芯片。

圖2 裝配方案

片上信號(hào)處理根據(jù)兩個(gè)磁場(chǎng)分量計(jì)算角度，并將該值轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)。由于采用了先進(jìn)的3D HAL技術(shù)，該芯片在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有出色的漂移特性，從而為角度的測(cè)量提供了更高的精度等級(jí)。除了內(nèi)置信號(hào)處理器外，其還具有任意可編程的線性特性，可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化（最多可設(shè)33個(gè)設(shè)定點(diǎn)）也就是不但在0～360°，可輸出0～5 V的模擬信號(hào)，也可以通過(guò)編程在其他角度范圍（例如0～120°），輸出電壓百分比仍為100%。

2 霍爾角度傳感器標(biāo)定模型搭建及硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)傳感器進(jìn)行編程之前，根據(jù)實(shí)際情況的需求，建立一個(gè)傳感器簡(jiǎn)化模型，這樣便于對(duì)傳感器進(jìn)行編程，然后設(shè)計(jì)以及繪制霍爾芯片的外圍電路，并進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，打樣制板，實(shí)物制作出來(lái)后，就可以進(jìn)行傳感器的編程及標(biāo)定。

2.1 傳感器機(jī)械模型的搭建

利用三維繪圖軟件根據(jù)軸端裝配模式，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，底層板和上層板尺寸均為30 mm×30 mm，霍爾芯片居中，磁鋼位置也是居中，磁鋼被嵌入在旋冒中，旋冒可以輕松旋轉(zhuǎn)，氣隙（磁鋼中心到霍爾芯片表面中心的垂直距離）為＝4±0.1 mm，當(dāng)然也可以通過(guò)調(diào)整螺栓改變氣隙高度。

2.2 霍爾傳感器硬件設(shè)計(jì)

圖3 HAL 37xy內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖4 HAL 3725外圍電路

表1 HAL 3725引腳描述

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，PCB布局相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@里只有一個(gè)芯片、兩個(gè)陶瓷電容，僅僅需要盡量讓兩個(gè)電容靠近引腳即可，最重要的是霍爾芯片的位置上，必須居中，輸出焊盤(pán)大小均勻即可，然后就是PCB的布線，這里主要注意的是，盡量避免直角走線和銳角走線，一般情況下直角和銳角走線會(huì)使得傳輸線的線寬產(chǎn)生變化，造成其阻抗的不連續(xù)。

3 霍爾角度傳感器的編程與校準(zhǔn)

霍爾角度傳感器的編程，這里的編程并非傳統(tǒng)意義的編程，并不需要寫(xiě)代碼，而是利用特定的編程器，進(jìn)行程序的標(biāo)定，主要是對(duì)其內(nèi)置信號(hào)處理的可編程寄存器進(jìn)行編碼校準(zhǔn)，包括可編程一階低通濾波器、可編程輸出增益和失調(diào)、可編程輸出鉗位（用于誤差帶定義）、可編程參考位置、可編程磁檢測(cè)范圍等，通過(guò)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行編程。除內(nèi)置信號(hào)處理外，該傳感器還具有任意可編程的線性特性，可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化（最多33個(gè)設(shè)定點(diǎn)）。

HAL 3725霍爾芯片可實(shí)現(xiàn)任意角度的滿(mǎn)量程輸出，這里對(duì)0～360°的滿(mǎn)量程輸出進(jìn)行編程，HAL 37xy系列霍爾芯片具有兩種不同的操作模式。在應(yīng)用模式下，傳感器提供比例模擬輸出電壓或數(shù)字輸出信號(hào)（PWM或SENT）。在編程模式下，可以更改傳感器的寄存器設(shè)置。上電后傳感器始終在應(yīng)用模式下運(yùn)行。通過(guò)傳感器輸出引腳上的脈沖將其切換到編程模式。

在編程模式下，HAL 3725霍爾芯片一般通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器輸出引腳上的串行報(bào)文來(lái)尋址。如圖5所示，將邏輯“0”編碼定義為在位時(shí)間內(nèi)沒(méi)有電平變化，把邏輯“1”編碼定義為通常占位時(shí)間的50%的電平變化。而每一位時(shí)間之后，都會(huì)發(fā)生電平變化。

圖5 霍爾傳感器邏輯圖

對(duì)于生產(chǎn)和鑒定測(cè)試，必須在對(duì)HAL 3725進(jìn)行最終調(diào)整和編程之后，將LOCK位設(shè)置為1，將POUT位設(shè)置為零。在鎖定芯片存儲(chǔ)器之前，需要校驗(yàn)所有寄存器值，以確保將目標(biāo)數(shù)據(jù)正確存儲(chǔ)在傳感器的存儲(chǔ)器中。鎖定過(guò)程是否成功應(yīng)通過(guò)鎖定后讀取LOCK位的狀態(tài)來(lái)檢查。

3.1 霍爾芯片信號(hào)路徑分析

HAL 37xy的信號(hào)路徑詳細(xì)信息如圖6所示，DSP部分主要進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，其參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中，霍爾芯片信號(hào)路徑包含兩種寄存器，只讀寄存器（RAM）和可編程寄存器（EEPROM），只讀寄存器包含信號(hào)路徑中某些步驟的測(cè)量數(shù)據(jù)，而可編程寄存器主要是信號(hào)處理方面，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)有相關(guān)應(yīng)用。這里對(duì)只讀寄存器進(jìn)行說(shuō)明，其中TADJ寄存器內(nèi)置結(jié)溫度的數(shù)字值，它的長(zhǎng)度為16位，并且是二進(jìn)制編碼的，0～32767之間的范圍用于溫度信息，通常溫度傳感器的校準(zhǔn)方式是在-40℃時(shí)寄存器值為100LSB，在160℃時(shí)寄存器值為1200LSB。

圖6 HAL 37xy內(nèi)部信號(hào)路徑[8]

表2 寄存器說(shuō)明1

其中，ANGLE_AMP寄存器中的磁場(chǎng)振幅值，理論上，是根據(jù)通道1和通道2中的磁場(chǎng)分量計(jì)算出的，其計(jì)算式如下：

式中：1為通道1磁場(chǎng)分量，mT；2為通道2磁場(chǎng)分量，mT。

然而實(shí)際上，磁場(chǎng)振幅方程式增加了大約1.6倍，因此最終計(jì)算式為：

OUT_ZERO定義角度輸出的參考位置，它可以設(shè)置為輸出范圍的任何值。它是33個(gè)設(shè)定點(diǎn)的起點(diǎn)/參考點(diǎn)。其次，該角度可用于將角度計(jì)算的PI不連續(xù)點(diǎn)移動(dòng)到所需角度范圍的最大距離，以避免由于噪聲而導(dǎo)致輸出360°環(huán)繞。

表3中，OUT_GAIN定義輸出信號(hào)的增益。寄存器的長(zhǎng)度為16位，并采用二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼。OUT_GAIN=1是中性設(shè)置，并且當(dāng)角度從0°變化到360°時(shí)，輸出信號(hào)從0%變化到100%（如果OUT_OFFSET設(shè)置為0）。OUT_GAIN可以在-64和64之間變化。鉗位CLAMP_LOW和CLAMP_HIGH定義模擬輸出的最大和最小輸出電壓。CLAMP可用于定義傳感器輸出的診斷范圍。兩個(gè)寄存器的位長(zhǎng)度都是16位，并且都二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼。CLAMP_LOW和CLAMP_HIGH的值都可以在滿(mǎn)量程的0%～100%之間。

表3 寄存器說(shuō)明2

3.2 霍爾芯片程序的編寫(xiě)及校準(zhǔn)

為了對(duì)HAL 3725霍爾芯片進(jìn)行編程，一般需要硬件和軟件的編程工具。針對(duì)本校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)利用SolidWorks軟件建模，搭建校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

編程工具則選用新一代磁傳感器編程器TDK MSP V1.0，它是TDK-Micronas公司開(kāi)發(fā)的完整的編程工具，集成了LabView編程環(huán)境，只要根據(jù)需要，校準(zhǔn)相關(guān)寄存器參數(shù)即可，相當(dāng)方便，可大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

如圖9所示，標(biāo)號(hào)①這里是根據(jù)起始點(diǎn)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到的ADC值，一般情況下此值不要太接近飽和值，以免芯片處于飽和磁場(chǎng)下。標(biāo)號(hào)②這里一般將磁鐵旋轉(zhuǎn)至輸出起始位置，點(diǎn)擊此按鈕。標(biāo)號(hào)⑥與標(biāo)號(hào)②正好對(duì)應(yīng)，將磁鐵旋轉(zhuǎn)至輸出的終止位置，點(diǎn)擊此按鈕。標(biāo)號(hào)⑦和標(biāo)號(hào)①相對(duì)應(yīng)，是根據(jù)終止點(diǎn)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到的ADC值，此值亦不要太接近飽和值。標(biāo)號(hào)③是根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置傳感器的起始點(diǎn)的輸出電壓值，相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)⑧是根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置傳感器的終止點(diǎn)的輸出電壓值。標(biāo)號(hào)④所指的是在兩個(gè)極限位置（起始點(diǎn)和終止點(diǎn)）的數(shù)據(jù)獲得后，點(diǎn)擊此按鈕，得到Sensitivity和Voq兩個(gè)參數(shù)值，其中標(biāo)號(hào)⑤指的是點(diǎn)擊此按鈕將參數(shù)寫(xiě)入芯片的存儲(chǔ)器中，標(biāo)號(hào)⑨指的是鎖定按鈕，如果測(cè)試合格，可以將芯片鎖住，芯片鎖住后不能再進(jìn)行讀寫(xiě)操作。以上步驟，就是HAL3725霍爾芯片的標(biāo)定過(guò)程，接著就可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

1.步進(jìn)電機(jī) 2.PCB板 3.HAL 3725芯片 4.支架1 5.底座 6.支架2

圖8 霍爾傳感器標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖9 編程器標(biāo)定界面

4 霍爾傳感器的數(shù)據(jù)采集

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的霍爾傳感器主要應(yīng)用于車(chē)輛操縱桿中，數(shù)據(jù)采集則使用STM32F103為微處理器，帶有USB串口，CAN通信模塊及4路12位分辨率AD轉(zhuǎn)換模塊的控制板。如圖10所示將霍爾傳感器的三個(gè)引腳分別用杜邦線連接在控制板的5 V，GND及AD輸出引腳上。由于STM32F103微控制器只識(shí)別模擬電壓3.3 V，則在設(shè)計(jì)AD電路過(guò)程中將其用電阻分壓，便可輸入5 V模擬電壓[9]。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，則霍爾傳感器會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的電信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，轉(zhuǎn)換成STM32F103可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最終通過(guò)與PC端相連接采集出霍爾傳感器數(shù)字信號(hào)[10]。

圖10 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)框圖

5 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，獲得普通電位計(jì)與本次標(biāo)定的霍爾角度傳感器初始數(shù)據(jù)圖像，如圖11、圖12所示。

圖11 普通電位計(jì)與霍爾傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比

圖12 霍爾傳感器測(cè)量采集

從圖中知，本次標(biāo)定的霍爾角度傳感器比普通電位計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)小，同時(shí)數(shù)據(jù)呈線性變化，滿(mǎn)足操縱桿擺動(dòng)要求，在檢測(cè)操縱桿擺動(dòng)角度中可以替代普通電位計(jì)，具有體積小、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于多種測(cè)量場(chǎng)合，同時(shí)減少機(jī)械磨損帶來(lái)的輸出特性影響，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式角度傳感器的測(cè)量定位。

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Design of Angular Displacement Measuring Device for Joystick

LIU Chuang，HAN Jiahua，ZHANG Ningning，ZHAO Zhiyuan

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

In order to deal with the defects of mechanical wear caused by the joystick contact angle sensor, which affects the output characteristics, in this article, by using the latest magnetic sensor programmer TDK MSP V1.0 developed by TDK-Micronas as the software development platform, a non-contact angle Hall sensor based on HAL 3725 Hall chip is designed. Through the selection of the sensor chip, the construction of the sensor model and the calibration experiment platform, the design of the hardware circuit and the software process control of the sensor calibration by the programmer, the digital signal of the sensor is finally collected through the experimental test. The experimental results show that compared with the contact sensor, the signal fluctuation is smaller, more sensitive, and the mechanical wear is reduced, which leads to the design of the non-contact angle sensor.

joystick；HAL 37xy；non-contact；sensor calibration

TN98

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.010

1006－0316 (2021) 01－0067－08

2020－06－04

機(jī)電裝置換擋操縱桿（操縱手柄）和車(chē)輛電子控制器、傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（19H0533）

劉闖（1993－），男，遼寧鞍山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制、嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)，E-mail：305227861@qq.com；韓嘉驊（1974－），男，山西大同人，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)。