一種通用3D霍爾傳感器標定系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：基于3D霍爾磁位置檢測芯片MLX90333，并根據(jù)設(shè)計電控手柄時所涉及的幾個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如磁鋼幾何尺寸（直徑和厚度）、磁鋼至旋轉(zhuǎn)中心的距離（旋轉(zhuǎn)半徑）、磁鋼至芯片的距離等，設(shè)計了一種通用的可模仿一般電控手柄運作機理的3D霍爾傳感器標定系統(tǒng)。利用本系統(tǒng)配合MLX90333的標定工具，對芯片的輸出電壓進行采集，分析輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系，驗證了標定系統(tǒng)的可行性與可靠性。進一步地，基于本系統(tǒng)，采用對照實驗的方法，設(shè)立多個變量控制組，研究了磁鋼的幾何尺寸與芯片集磁中心磁感應(yīng)強度以及芯片增益三者之間的關(guān)系。此外，還研究了磁鋼的幾何尺寸、旋轉(zhuǎn)半徑和磁鋼至芯片的距離對傳感器標定曲線的影響，得出了設(shè)計電控手柄時可作為參考的一些結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電控手柄；霍爾傳感器；標定系統(tǒng)；標定曲線

中圖分類號：TP212""""""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.009

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0059-07

Design of a General 3D Hall Sensor Calibration System

Abstract：In this paper， based on the MLX90333 of 3D Hall magnetic position detection chip， and according to several important structural parameters involved in the design of the electric control handle， such as the geometric size of the magnetic steel （diameter and thickness）， the distance from the magnetic steel to the center of rotation （rotation radius）， the distance from the magnetic steel to the chip， etc.， a general 3D Hall sensor calibration system that can imitate the operation mechanism of the general electronic control handle is designed. The calibration tool of the MLX90333 with the system is used to collect the output voltage of the chip， and the correspondence between the output voltage and the rotation angle is analyzed， and the feasibility and reliability of the calibration system are verified. Furthermore， based on this system， a control experiment was used to set up a number of variable control groups， and the relationship between the geometric size of the magnet， the magnetic induction intensity of the magnetic center of the chip set and the chip gain was studied. In addition， the influence of the geometric size， rotation radius and distance from the magnet to the chip on the calibration curve of the sensor is also studied， and some conclusions that can be used as a reference when designing the electronic control handle are also obtained.

Key words：electronic control handle；Hall sensor；calibration system；calibration curve

當前，3D霍爾電控手柄在工程控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國外在這一領(lǐng)域發(fā)展起步較早，產(chǎn)品豐富，技術(shù)成熟。國內(nèi)一些企業(yè)也在全力追趕，但由于電控手柄的性能涉及多個設(shè)計變量的優(yōu)化與整合，極大地增加了研發(fā)過程的復(fù)雜性和繁瑣性，設(shè)計周期隨之變長，導(dǎo)致國內(nèi)這一領(lǐng)域的發(fā)展較為緩慢。電控手柄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是相當繁瑣的，此類產(chǎn)品的研發(fā)周期往往受制于這個優(yōu)化過程。如何更加快速地實現(xiàn)手柄機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是一個亟待解決的問題。

近些年來，國內(nèi)外工程機械領(lǐng)域的學(xué)者或工程師也相繼提出了各種優(yōu)化方法。例如，Anna Ermakova等[1]搭建了數(shù)學(xué)分析模型，對磁鋼到旋轉(zhuǎn)中心的距離、磁鋼與芯片之間的氣隙，磁鋼的幾何形狀及磁場強度等參數(shù)進行優(yōu)化和分析，并驗證了該分析模型的合理性與可行性。李銳等[2]利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件進行有限元仿真，得到芯片輸出線性變化趨勢與磁鋼直徑的關(guān)系。韓玉萌等[3]在設(shè)定磁鋼與芯片的配合距離后，利用Microna_Simulator對霍爾傳感器線性度進行仿真，驗證了其所設(shè)計的傳感器的性能。薛啟鑫等[4-5]利用ANSYS有限元軟件對磁鋼的幾何尺寸及磁場強度進行了仿真和優(yōu)化。

前述對霍爾傳感器的設(shè)計與標定，多采用仿真的方法。但是，利用仿真難以確定電控手柄的敏感度、線性范圍、抗干擾性能等技術(shù)指標[6-7]。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，多采用原型測試的方法來調(diào)整相關(guān)參數(shù)以保證電控手柄的性能符合要求。然而，對于不同的電控手柄結(jié)構(gòu)尺寸和擺動角度，所需磁鋼的幾何形狀和磁場強度差異也較大，常常需要進行大量的選配實驗，延長了研發(fā)成本和研發(fā)周期[8]。

對此，需要一種通用型電控手柄模型，即在運作機理上與電控手柄相同，且可調(diào)節(jié)多個關(guān)鍵參數(shù)的裝置?；诖四康模疚脑O(shè)計了一套標定系統(tǒng)，極大了提高電控手柄的設(shè)計效率，降低了研發(fā)的周期和制造樣品的成本。

1 標定系統(tǒng)的方案設(shè)計

首先，搭建一個可調(diào)的包含萬向節(jié)的四自由度電控手柄標定實驗臺[9-12]；其次設(shè)計本實驗臺的硬件控制電路，并進行PCB制板；再者，設(shè)計程序，并燒寫至PCB板的主控MCU以控制實驗臺的各部件的運作；最后，利用本實驗臺和Melexis公司提供的3D霍爾芯片編程器對芯片進行標定，以確定磁鋼的型號和電控手柄結(jié)構(gòu)的各個關(guān)鍵參數(shù)。

標定裝置模型如圖1所示，其機械部件由步進電機和高精度數(shù)字舵機驅(qū)動。舵機1驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸X旋轉(zhuǎn)，舵機2驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸Y旋轉(zhuǎn)。手動微調(diào)旋轉(zhuǎn)軸Z，可調(diào)整磁鋼沿Z軸方向上下移動。升降臺與撥叉通過螺絲聯(lián)結(jié)在一起，撥叉與絲桿是螺紋副配合，絲桿通過聯(lián)軸器與步進電機的輸出軸進行聯(lián)結(jié)，當步進電機旋轉(zhuǎn)一定角度時，絲桿旋轉(zhuǎn)亦跟著旋轉(zhuǎn)同樣的角度，通過螺紋副將角度轉(zhuǎn)化為升降臺的位移，因此升降臺可沿Z軸方向上下移動[6，13]。

此外，基座上安裝有限位開關(guān)，可確定升降臺的零點位置，進而實現(xiàn)了升降臺的在Z軸上的位置可控。

標定裝置簡化模型如圖2所示。h、d決定著磁鋼的磁場強度和磁力線分布。

2 系統(tǒng)硬件的運作機制

硬件組成如圖3所示，整個硬件系統(tǒng)主要由四個部分組成，分別是電源模塊、驅(qū)動模塊、控制器模塊、傳感器模塊[14-15]。

電源模塊由220 V轉(zhuǎn)12 V的開關(guān)電源、12 V轉(zhuǎn)5 V的開關(guān)電源和5 V轉(zhuǎn)3.3 V的LDO線性電源組成。12 V的電源用于為步進電機驅(qū)動器提供足夠大的功率；5 V的電源用于為舵機驅(qū)動器提供足夠的電流；3.3 V的線性電源用于控制器的供電。

微控制器模塊由MCU及其最小系統(tǒng)構(gòu)成。用于向驅(qū)動器模塊輸出控制信號、采集傳感器模塊的信號以及將數(shù)據(jù)上傳至PC端。

驅(qū)動模塊由舵機驅(qū)動器和步進電機驅(qū)動器組成。X、Y軸控制原理如圖4所示，微控制器向舵機驅(qū)動器輸入兩路PWM，舵機驅(qū)動器將兩路PWM電平放大后，分別傳輸至舵機1和舵機2，舵機1控制旋轉(zhuǎn)軸X旋轉(zhuǎn)一定角度α，舵機2控制旋轉(zhuǎn)軸Y旋轉(zhuǎn)一定角度β。Z軸控制原理如圖5所示，微控制器向步進電機驅(qū)動器輸入三個控制信號，包括控制啟動與停機的使能電平、控制方向的電平和控制轉(zhuǎn)速的脈沖信號，進而驅(qū)動升降臺。旋轉(zhuǎn)Z通過手動微調(diào)，聯(lián)合升降臺一同控制磁鋼與芯片的配合距離S。

傳感器模塊采用的3D霍爾磁位置傳感器芯片為MLX90333，該芯片由Melexis研發(fā)，其KDC-BCT型號適用于-40°～125°的溫度范圍，具有模擬電壓輸出、PWM輸出、SPI通信三種輸出模式，其功能及性能足以滿足一般工程機械的需求。

3 標定流程

標定設(shè)備為Melexis公司提供的型號為PTC04的用戶端MLX系列芯片編程器，其具有標定、輸出模式選擇和輸出信號測量等功能。且可將數(shù)據(jù)上傳至PC端，利用與其配套使用的測試軟件可方便地進行標定和測試。具體流程如下：

（1）根據(jù)所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)，確定擺動角度α和β，旋轉(zhuǎn)半徑R，磁鋼的厚度h和直徑d，磁鋼底部與芯片頂部的距離S。

（2）調(diào)整Z軸以設(shè)定參數(shù)R，調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸X以設(shè)定沿X軸的旋轉(zhuǎn)角度α，調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸Y以設(shè)定沿Y軸的旋轉(zhuǎn)角度β。

（3）調(diào)整升降臺的位置以設(shè)定霍爾芯片頂部與磁鋼底部的距離S。

（4）將芯片的輸入輸出端與編程器PTC04的端口對應(yīng)相連，使電控手柄處于中位，即磁鋼正對芯片的集磁點，設(shè)置增益，并判斷增益是否處在區(qū)間[10，35]。若增益小于10，則更換磁場強度較弱的磁鋼；若增益大于35，則更換磁場強度較強的磁鋼；若無以上兩種情況，則開始標定，先校準中位，再標定四邊。

（5）觀察標定曲線的傾斜程度。若斜坡段過緩，則更換磁場較弱的磁鋼；斜坡段過陡，則更換磁場較強的磁鋼；然后重復(fù)步驟（2）～（4），若無上述兩種情況，則完成標定。

（6）完成步驟（5），測量輸出結(jié)果是否符合預(yù)期，若不符合，則調(diào)整電控手柄的機械結(jié)構(gòu)，并重復(fù)步驟（1）～（5）。

4 標定實驗及結(jié)果分析

將標定實驗的磁鋼分成三組，即A組、B組和C組。A組磁鋼直徑為5 mm，厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm，分別用代號A1、A2、A3表示；B組磁鋼厚度為3 mm，直徑分別為3 mm、4 mm、5 mm，分別用代號B1、B2、B3表示；C組磁鋼直徑為6 mm，厚度分別為3 mm、4 mm、5 mm，分別用代號C1、C2、C3表示。磁鋼牌號為N35，材料為釹鐵硼。由于X軸和Y軸相互獨立且雷同，因此以Y軸為例，設(shè)定實驗參數(shù)β＝25°。本實驗設(shè)定四個變量控制組，具體為：

（1）變量控制組1：配合距離不變，旋轉(zhuǎn)半徑不變，直徑不變，改變磁鋼厚度；

（2）變量控制組2：配合距離不變，旋轉(zhuǎn)半徑不變，厚度不變，改變磁鋼直徑；

（3）變量控制組3：旋轉(zhuǎn)半徑不變，直徑不變，厚度不變，改變配合距離；

（4）變量控制組4：配合距離不變，直徑不變，厚度不變，改變旋轉(zhuǎn)半徑。

首先，利用A組的A1號磁鋼進行標定試驗，以檢驗標定系統(tǒng)的準確性，標定完成后，對芯片上電，并對其輸出進行每隔10°采樣，循環(huán)5次，設(shè)所測得電壓為Unm，其中n∈[1，5]、m∈[-25°，25°]。其電壓輸出特性如圖6所示，5次采集的電壓值擬合的電壓輸出曲線基本重合。特定角度位置的電壓誤差如圖7所示，Er21表示第二次對第一次的誤差，即Er21＝U2m－U1m，Er31表示第三次對第一次的誤差，即Er31＝U3m－U1m，以此類推。

在圖7中，最大誤差Er不超過0.045 V。各大廠商，如DANFOSS、GESSMANN、APEM等提供的工業(yè)控制電控手柄的位置重復(fù)精度為±0.1 V，因此本標定系統(tǒng)的精度是可行的。

4.1 變量控制組1

圖8為無折點的標定曲線，Y軸標定曲線以中點（100）為分界點，分為起點（50）～中點（100）段和中點（100）～終點（150）段。設(shè)芯片集磁點檢測到的磁場矢量與集磁點坐標

軸Y軸的夾角為，設(shè)為Y軸上左標定點的輸出夾角，左標定點對應(yīng)最大輸出電壓，其值為100%；設(shè)為中位標定點的輸出夾角，右標定點對應(yīng)最小輸出電壓，其值為0%；設(shè)為右標定點的輸出夾角，右標定點對應(yīng)中

位輸出電壓，其值為50%。為描述兩段標定曲線的斜率，設(shè)如下公式：

式中：為中點（100）～終點（150）段的斜率；為起點（50）～中點（100）段的斜率；為這兩段的斜率之差。

如圖9所示，當兩段的斜率差≥0.1，

兩段曲線就會在中點處發(fā)生轉(zhuǎn)折，會嚴重影響電控手柄擺至中位時輸出電壓的準確性和整個電壓輸出特性曲線的線性。

設(shè)配合距離為6.8 mm，旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm，選用A組磁鋼進行標定試驗。磁場強度、增益與磁鋼厚度的關(guān)系如圖10所示，反映了芯片檢測的磁場強度與其自動計算的增益隨磁鋼厚度變化而變化的趨勢。在圖10中，隨著磁鋼厚度的增加，磁場強度不斷增強，而芯片自動計算的增益不斷減小。

兩標定曲線的斜率與磁鋼厚度的關(guān)系如圖11所示，兩段的斜率差最大為0.04，這表明A組磁鋼不會導(dǎo)致芯片輸出結(jié)果出現(xiàn)前述不良情況。此外，曲線也表明，線性最好的磁鋼厚度在2 mm附近、3.5 mm和4.5 mm附近。

4.2 變量控制組2

設(shè)定配合距離為6.8 mm，旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm，選用B組磁鋼和C組的C1號磁鋼進行標定試驗。芯片檢測的磁場強度與增益隨磁鋼直徑變化而變化的趨勢如圖12所示，兩段標定曲線的斜率變化如圖13所示。在圖12中隨著磁鋼直徑的增加，磁場強度不斷增強，而芯片自動計算的增益不斷減小。在圖13中，兩段的斜率差最大為0.03，這表明B組磁鋼和C組的C1號磁鋼不會導(dǎo)致電壓輸出特性曲線的線性變差。此外，曲線也表明，線性最好的磁鋼直徑在3.25 mm附近和6 mm附近。

4.3 變量控制組3

設(shè)定旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm，選用C組的C1號磁鋼進行標定試驗。增益的隨距離變化的趨勢如圖14所示，隨著配合距離的增大，增益也在增大，表明芯片檢測到的磁場強度在減小。

兩段標定曲線的斜率變化如圖15所示，兩段曲線的斜率差最大為0.025，這表明增大配合距離不會導(dǎo)致電壓輸出特性曲線的線性變差。此外，隨著配合距離的增大，曲線的斜率也增大，有利于提高靈敏度。

4.4 變量控制組4

設(shè)定配合距離為6.8 mm，選用C組的C1號磁鋼進行標定試驗。標定曲線的斜率變化如圖16所示，標定曲線的斜率隨著旋轉(zhuǎn)半徑R的減小而呈現(xiàn)出增大的趨勢，當旋轉(zhuǎn)半徑R為6 mm時，起點至中點和中點至終點兩段的曲線斜率差值大于0.1，兩段曲線在中點處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，如圖17所示。

通過以上實驗，可得出如下結(jié)論：

（1）配合距離不變，旋轉(zhuǎn)半徑不變，增大磁鋼厚度，增益變小，標定曲線變緩；

（2）配合距離不變，旋轉(zhuǎn)半徑不變，增大磁鋼直徑，增益變小，標定曲線變緩；

（3）旋轉(zhuǎn)半徑不變，減少配合距離，增益變小，標定曲線變緩；

（4）旋轉(zhuǎn)半徑不變，增大配合距離，增益變大，標定曲線變陡；

（5）配合距離不變，增大旋轉(zhuǎn)半徑，增益不變，標定曲線變緩；

（6）配合距離不變，減小旋轉(zhuǎn)半徑，增益不變，標定曲線變陡；

（7）當旋轉(zhuǎn)半徑過小，磁場強度偏強，就會在標定中點出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，線性變差，且折點處較為敏感，不穩(wěn)定；

（8）曲線越陡，越靈敏，抗振動干擾越弱；曲線越緩，越穩(wěn)定，抗振動干擾越強。

5 結(jié)語

在設(shè)計并搭建3D霍爾傳感器標定系統(tǒng)后，在對其精度進行了驗證。在此前提下，設(shè)計了多組對照組，做了大量標定實驗，明確了電控手柄設(shè)計的多個關(guān)鍵參數(shù)之間的相互關(guān)系，并得出它們對標定曲線的影響，進一步驗證了本系統(tǒng)的可行性和靈活性。利用標定系統(tǒng)進行電控手柄相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，可大幅節(jié)省研發(fā)成本和時間，為今后同類產(chǎn)品的設(shè)計分析提供便利和參考。

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