絕對式多極磁感應角位移測量系統(tǒng)的技術研究?

婁 敏，葉大偉，彭雪峰，嚴春平

(九江職業(yè)技術學院電氣工程學院，江西 九江 332000)

本文所涉及的是一種多極磁感應角度傳感器，學名為圓感應同步器，其基體為金屬材質，且無類似光電式角度傳感器所需的光源等壽命損耗器件，因而產品的使用壽命長、環(huán)境適應性好。由于這種磁感應角度傳感器具有耐惡劣環(huán)境、測量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點，因而其應用領域遍及航天、航空、機械制造、精密儀器等[1－2]。

傳統(tǒng)的磁感應角度傳感器(圓感應同步器)為單通道模式，不具備絕對零位，為實現(xiàn)絕對零位功能可將其設計為雙通道模式，雙通道模式下外通道被設計為多對極，內通道被設計為單對極，多對極的外通道決定著整個測角系統(tǒng)的精度，單對極的內通道決定著絕對零點的位置[3－7]。

文獻[3]中設計了相應的勵磁和信號調理模塊，通過解算單元獲取了粗精通道角度信息，采用諧波注入的方法，將粗精通道的數(shù)據(jù)進行了融合。

文獻[4－5]中設計了高精度、高穩(wěn)定度的測角系統(tǒng)，并提出了一種粗精數(shù)據(jù)融合方法，對粗通道和精通道數(shù)據(jù)進行了有效處理。

文獻[6]中針對雙通道零位偏差導致的數(shù)據(jù)融合問題，介紹了一種利用實測精級數(shù)據(jù)過零點找粗級起始點，并進行四區(qū)間判讀的方法進行粗精融合。

文獻[7]中結合雙通道測角系統(tǒng)的特點，提出一種查表實現(xiàn)粗精耦合的方法，闡述了建立粗精相關表及查表得到絕對角度的過程，應用查表法實現(xiàn)粗精耦合，提高了粗精角度數(shù)據(jù)融合的可靠性。

文獻[8]中以絕對式圓感應同步器作為角度傳感器，采用總體開環(huán)和數(shù)字信號處理部分閉環(huán)的方案，設計了絕對角度測量系統(tǒng)。

無論文獻[3－8]中哪一類雙通道粗精解碼方法，雖然都能實現(xiàn)絕對零位測角，但在應該用過程中不可避免地帶來如下不便之處:

①擴大了系統(tǒng)的體積

為實現(xiàn)絕對零位功能而增加的這一個內通道繞組，必然會大幅增加傳感器的結構尺寸，這在一些對空間集成度要求較高的應用場合將帶來不便。

②增加了系統(tǒng)成本及復雜性

對于新增加的內通道繞組，需另配一套電路系統(tǒng)對其進行解碼處理，這進一步增加了整個測角系統(tǒng)的成本及復雜度。

基于此，本文提出一種全新的設計方案，無需增加內通道，而是利用U 型槽光電傳感器來實現(xiàn)絕對零位功能，從而在降低系統(tǒng)尺寸、成本的同時還提升了可靠性。

由于U 型槽光電傳感器的結構簡單、應用成熟、可靠性高，且光電信號與本文所涉及角度傳感器的電磁信號不會互相干擾，因而適合作為零位觸發(fā)傳感器在系統(tǒng)內進行集成。

1 設計原理

1.1 多極磁感應角度傳感器工作原理

多極磁感應角度傳感器(圓感應同步器)分為定子、轉子兩個部件，其中轉子被安裝在旋轉軸系上，定子被安裝在固定的臺體上，如圖1 所示，通過將交流激勵信號施加到轉子上驅動其工作，定子將感應出同頻率的2 路正交的差分SIN＋/－、COS＋/－信號，且SIN＋/－、COS＋/－信號與旋轉軸系機械轉角呈一定比例關系，對其解碼即可得到當前旋轉軸系轉過的角度值。

圖1 角度傳感器工作示意圖

為實現(xiàn)角度電磁耦合效應，角度傳感器的轉子被設計為連續(xù)繞組，如圖2 所示。

圖2 轉子連續(xù)繞組圖

由圖2 可見，轉子的連續(xù)繞組包含有效導體、內端部及外端部，定義有效導體的數(shù)目即為角度傳感器的極數(shù)，對于720 極(360 對極)的角度傳感器，其有效導體數(shù)目為720。

為實現(xiàn)兩路正交感應信號，角度傳感器的定子被設計為分段繞組，如圖3 所示。

圖3 定子分段繞組圖

定子分段繞組由2 K 個導體組組成，如圖所示，導體組分屬SIN、COS 兩2 相，每相均有K 個導體組，SIN、COS 這兩項導體組交錯間隔排列，同相的導體組通過導線相互連接。

角度傳感器定、轉子實物圖如圖4 所示。

圖4 定、轉子實物圖

設轉子連續(xù)繞組激磁信號為:

在靜態(tài)和低速條件下，定子SIN 相繞組的輸出電勢為:

式中:ku為電壓耦合系數(shù)；ω為激磁電壓角頻率；αD為轉子連續(xù)繞組與定子SIN 相分段繞組之間的偏離角度(電角度)，令定子分段繞組的SIN、COS 相導體組在空間相位上相差90 度電角度，即兩相繞組正交，則COS 相繞組的輸出電勢為:

將usin、ucos接入正余弦數(shù)字函數(shù)變壓器，得到輸出信號為:

式中:ke為數(shù)字函數(shù)變壓器比列系數(shù)，φD為數(shù)字函數(shù)變壓器角變量。

取雙端輸出之差值為:

式中:k＝keku。

由上式可以看出，不論kUmsin(ωt)為何值，只要適當?shù)馗淖儲誅的大小，令αD＝φD，使輸出電壓usc為零，此時的可知變量φD就等于轉子連續(xù)繞組相對定子SIN 相分段繞組之間的偏離角度(電角度)。

對于720 極的角度傳感器，其對極數(shù)為360，即轉子相對定子轉過1 個電角度周期，對應機械上轉過1°。

1.2 絕對零位設計原理

由于傳統(tǒng)的多極磁感應角度傳感器為增量式，對于720 極(360 對極)的角度傳感器在360°范圍內共有360 個對極，即有360 個電氣零點，為實現(xiàn)絕對零位測角，本文設計一種集成光電傳感器的絕對式測角方案，其結構示意如圖5 所示。

圖5 集成了光電傳感器的系統(tǒng)結構示意圖

如圖5 所示，在轉子上固定一個遮光片，在定子上安置一個光電傳感器，光電傳感器安裝完畢后，每當轉子帶動遮光片通過光電傳感器的U 型槽，則光電傳感器的輸出端會出現(xiàn)一次電平由高到低的跳變，當電路系統(tǒng)接收到這個跳變，則將當前對極所在的電氣零點作為系統(tǒng)的絕對零點，每次測角系統(tǒng)上電執(zhí)行一次尋零操作，即可在增量式測角系統(tǒng)內實現(xiàn)絕對零位功能。

多極磁感應角度傳感器在360°范圍內共有360個對極，光電傳感器在定子上安裝的位置不同，每次過零觸發(fā)所在的對極不同，在定子上安裝光電傳感器需避免過零觸發(fā)位置在兩個不同對極的交界處，從而保證每次過零發(fā)生在一個固定的對極內，進而使得絕對零位恒定為這個對極的電氣零點。

2 電氣系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

多極磁感應角度傳感器需要后續(xù)的電氣系統(tǒng)對其進行信號處理才能實現(xiàn)完整的角度測量[9]，電氣系統(tǒng)的硬件包括解碼板和信號調理板兩部分，其中解碼板內又分為主控單元、AD 單元、激勵單元、顯示單元、零位單元；信號調理板內又分為放大單元和濾波單元，如圖6 所示，下面對各單元電路分別進行介紹。

圖6 電氣系統(tǒng)功能單元圖

①主控單元

主控單元選擇 FPGA 控制器，型號為EP2C5T144I8，EP2C5T144I8 是一款工業(yè)級的FPGA芯片，其引腳數(shù)為144，邏輯塊為4608，可滿足本項目的控制需求。

②AD 單元

AD 單元以美國ADI 公司研制的AD2S1210 為核心器件進行構建，AD2S1210 芯片分辨率在10/12/14/16 位可設，且芯片具有外圍配置元件少、轉換速率高的特點，同時該款芯片還能直接輸出10KHz 的交流正弦信號[10－11]。

③激勵單元

激勵單元原理如圖7 所示，可將AD2S1210 芯片輸出的10 kHz 交流正弦信號EXC 經(jīng)射極跟隨、隔直、功率放大后輸出大電流的驅動信號(VOUT)，將VOUT 驅動信號傳輸?shù)酱鸥袘嵌葌鞲衅鬓D子上即可驅動其工作。

圖7 激勵單元電路圖

④顯示單元

解碼后的角度值數(shù)據(jù)將通過顯示單元上的數(shù)碼管顯示出來，顯示單元的核心器件為MAX7219 串行顯示控制芯片，MAX7219 是美國MAXIM 公司推出的多位LED 顯示驅動器，采用3 線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與微控制器連接，用戶能方便修改其內部參數(shù)，以實現(xiàn)多位LED 顯示，它內含硬件動態(tài)掃描電路、BCD 譯碼器、段驅動器和位驅動器。

⑤零位單元

零位單元主要用于驅動及接收U 型光電傳感器，其實物如圖8 所示，U 型光電傳感器的工作原理是通過對紅外發(fā)射光的阻斷和導通，再根據(jù)紅外接收管感應出的電流變化來實現(xiàn)開和關的判斷。U 型光電傳感器的發(fā)射器和接收器分別位于U 型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U 型槽且阻斷光軸時，光電傳感器就產生開關量信號通過OUT 端輸出。

圖8 U 型光電傳感器實物圖

⑥放大單元

放大單元主要用于將定子感應出的毫伏級微弱信號進行放大，測角系統(tǒng)電氣誤差主要來源于繞組設計制造誤差[12]及信號調理誤差(放大、濾波)[13]、這個環(huán)節(jié)直接影響整個系統(tǒng)的測角精度，對傳感器直接輸出的微弱信號進行一級放大需采用高精密的差分放大器進行處理[14－15]，放大單元的原理如圖9所示，放大單元選擇INA163 芯片做為前級放大芯片進行微弱信號處理，INA163 芯片是具有極低噪聲和失真度的單片儀表放大器，采用電流反饋電路，具有非常寬的頻帶寬度和優(yōu)越的動態(tài)響應特性，可在商用級和工業(yè)級溫度范圍內應用，利用INA163 芯片對原始的定子感應輸出信號進行100 倍放大后即可送入濾波單元進行調理，如圖9 所示，定子感應出SIN＋/SIN－差分信號經(jīng)INA163 芯片進行放大后轉為單端的SIN 信號，同理定子感應出COS＋/COS－差分信號也可經(jīng)放大后轉為單端COS 信號。

圖9 感應信號放大電路圖

⑦濾波單元

傳感器輸出信號經(jīng)放大后還存在較大的雜波，因而在放大電路后設計了一個帶通濾波器，此帶通濾波器采用先低通濾波，再高通濾波的設計方案。

A.低通濾波器設計

低通濾波電路如圖10 所示。

圖10 低通濾波電路圖

如圖10 所示，Vp＝其中Vp為運放的同相輸入端電壓，VO為輸出電壓，AVF為反饋放大倍數(shù)，根據(jù)電路進行分析得到Vp與VA的關系:

根據(jù)基爾霍夫定律又可得到:

進一步轉化得到如下公式:

則式(8)可轉化得

令R1＝R2＝R、C1＝C2＝C，則式(9)簡化為

設定品質因數(shù)Q＝0.707，由式(13)可得AVF＝1.58，又由式(12)得出＝0.58，在此設定Rf＝9.1 kΩ，R3＝15 kΩ，設定上限截止頻率為12 kHz，令電容C1＝C2＝C的值為4.7 nf，則根據(jù)式(14)可算得R1＝R2＝R＝2.8 kΩ。

B.高通濾波器設計

完成了信號的低通濾波后，再對信號進行高通濾波[16]，其電路原理如圖11 所示。

圖11 高通濾波電路圖

在此將高通濾波器的下限截止頻率設定為8 kHz，品質因數(shù)Q＝0.707，令電容C3、C4的值均為4.7 nf，參照低通濾波器設計分析過程，可計算出高通濾波器的參數(shù)值:R4＝R5＝4.2 kΩ，Rt＝9.1 kΩ，R6＝15 kΩ。

2.2 軟件設計

圖12 為電氣系統(tǒng)軟件流程圖，按功能可分為5個部分，分別是AD 讀取子程序、零位子程序、解碼子程序、數(shù)碼顯示子程序、通信子程序，其中AD 讀取子程序用于對AD2S1210 芯片進行配置并對原始模擬感應信號進行AD 轉換得到數(shù)字量；零位子程序用于監(jiān)測當前光電傳感器的輸出值并將其傳遞到主控單元；解碼子程序用于對AD2S1210 轉換輸出的數(shù)字量信號進行融合處理，并結合光電傳感器輸出值進行計算得出當前的角度數(shù)據(jù)；顯示子程序用于驅動max7219 芯片實現(xiàn)角度數(shù)碼顯示；通信子程序用于將角度值以一定的通信協(xié)議格式(如RS422/485)發(fā)送給用戶系統(tǒng)。

圖12 軟件流程圖

3 實驗驗證

3.1 絕對零位功能驗證

將多極磁感應角度傳感器的定、轉子分別固定在轉臺的臺體及旋轉軸上，光電傳感器固定在定子上，遮光片固定在轉子上，將解碼板、信號調理板與磁感應角度傳感器相連接，解碼后的角度值通過數(shù)碼顯示出來，如圖13 所示。

圖13 測角系統(tǒng)組成圖

如圖14 所示，將光電傳感器固定在磁感應角度傳感器的定子上，將遮光片固定在磁感應角度傳感器的轉子上，對傳感器正常解碼顯示角度數(shù)據(jù)，隨著轉子帶動遮光片進入光電傳感器的U 型槽內，則光電傳感器將輸出一個脈沖信號，為后續(xù)電路系統(tǒng)接收，則在電氣系統(tǒng)內對角度值的整度數(shù)進行清零，角度值的小數(shù)位被保留，從而當前對極的電氣零點就被設定為了絕對零位，進而實現(xiàn)了絕對零位的測角功能，其過零過程中的角度數(shù)據(jù)變化如圖15 所示。

圖14 零位功能部件實物圖

圖15 過零過程角度數(shù)據(jù)變化趨勢圖

如圖15 所示，系統(tǒng)上電后轉動轉子帶動遮光片接近光電傳感器的U 型槽，在這個過程中，角度值不斷在增加，直到增加到9.782 3°之后繼續(xù)轉動轉子使得遮光片進入U 型槽內觸發(fā)光電傳感器輸出脈沖，電氣系統(tǒng)則將當前角度值的整度數(shù)清零，只保留角度值的小數(shù)位，因而由圖15 可見，當前的角度值突變到了0.892 2°，當前對極的電氣零點即被記為測角系統(tǒng)的絕對零點。

進一步利用自準直儀及多面棱體構建測試平臺[17－18]，對測角系統(tǒng)的絕對零點重復性進行驗證，測試過程中所用的硬件設備如下:①7 英寸360 對極磁感應角度傳感器；②傳感器后續(xù)電氣處理系統(tǒng)；③HK－J1 精密轉臺；④99 型光電數(shù)顯自準直儀(包含光軸和數(shù)顯2 部分，精度為0.1″)；⑤23 面棱體。

構建完成的測試裝置實物如圖16 所示，測角系統(tǒng)絕對零位重復性測試過程介紹如下:

圖16 測角系統(tǒng)及測試裝置圖

如前所述，測角系統(tǒng)上電后需要有一個找零的過程，當轉子帶動遮光片進入光電傳感器的U 型槽內即觸發(fā)了脈沖輸出，電路系統(tǒng)接收到脈沖后將使得測角系統(tǒng)角度值的整度數(shù)被清零，只保留角度值的小數(shù)位，隨后調節(jié)轉臺使得測角系統(tǒng)角度值輸出為0 的位置即為系統(tǒng)的絕對零點，保持絕對零點位置不變，調節(jié)23 面棱體的第1 面與光電自準直儀的光軸垂直，此時可觀測到光電自準直儀的輸出也為0。

對測角系統(tǒng)重新上電，重復實現(xiàn)找零的過程，觀測重復找零后測角系統(tǒng)在絕對零點位置處光電自準直儀的顯示值，這個顯示值即為測角系統(tǒng)絕對零位重復性誤差值，實驗中對測角系統(tǒng)絕對零位重復性的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 絕對零位重復性測試表

由表1 可見，對集成光電傳感器實現(xiàn)的測角系統(tǒng)的絕對零位重復性進行了3 次測試，最大重復性誤差值為0.1″，與雙通道方案實現(xiàn)的絕對零位重復性相似。

常規(guī)的多極磁感應角位移測量系統(tǒng)在360°范圍內共有360 個對極，每個對極有1 個電氣零點，本文涉及的方案是將光電傳感器安置在多極磁感應角位移傳感器的某一個對極空間內，在光電傳感器被觸發(fā)后即以這個對極的電氣零點作為絕對零點，從而避開了光電傳感器零位重復性不高的缺陷。

3.2 測角精度驗證

利用3.1 節(jié)中所構建的測試平臺，可對測角系統(tǒng)的精度進行驗證。

測量系統(tǒng)精度時，首先令轉臺的旋轉軸轉動，使得角度數(shù)顯輸出為0，保持此狀態(tài)，調節(jié)23 面棱體的第1 面與自準直儀的光軸完全垂直，此時可觀測到自準直儀數(shù)顯的輸出也為0，這個狀態(tài)即為測試的初始原點狀態(tài)。

令轉臺的旋轉軸轉動使得角度數(shù)顯輸出為15.652 2°，此時23 面棱體的第2 面將與自準直儀的光軸對準，光軸與棱體面的不垂直度可通過自準直儀數(shù)顯的輸出觀測到，這個輸出值即為測角系統(tǒng)在15.652 2°角位置處的誤差值，按此方法等15.652 2°間隔可依次測試15.652 2°、31.304 3°、46.956 5°、62.608 7°、78.260 9°、93.913 0°、109.565 2°、125.217 4°、140.869 6°、156.521 7°、172.173 9°、187.826 1°、203.478 3°、219.130 4°、234.782 6°、250.434 8°、266.087 0°、281.739 1°、297.391 3°、313.043 5°、328.695 7°、344.347 8°這些位置處的角度誤差值，測試結果如表2 所示。

表2 測角系統(tǒng)23 面分度誤差測試數(shù)據(jù)表

測角系統(tǒng)實測分度點誤差見表2 的第3、第6列，分度點的誤差最大值為2.9″，最小值為－2.5″，取誤差峰峰值的一半記為綜合誤差，即±2.7″。

4 總結

本文介紹了一種絕對式多極磁感應角位移測量系統(tǒng)，文中首先對角度傳感器的工作原理及零位實現(xiàn)方案進行了闡述，隨后詳細介紹了傳感器后續(xù)電路系統(tǒng)的硬件及軟件實現(xiàn)方案，重點論述了光電傳感器及信號調理部分的技術路線，最后搭建了實驗平臺對絕對零位功能進行了驗證，并對測角精度進行了標定，驗證了本文所涉及絕對零位及高精度測角方案的可行性，本文所涉及的絕對零位實現(xiàn)方案可在旋轉變壓器等多極磁感應角位移傳感器中進行推廣應用[19－20]，具有一定的行業(yè)覆蓋性。