Разработка и исследование датчика положения на основе интегрального CORDIC-преобразователя и магниторезистивного сенсора

Разработка и исследование датчика положения на основе интегрального CORDIC-преобразователя и магниторезистивного сенсора Косолапов М. А.

Косолапов Михаил Александрови ч / Kosolapov Mihail Aleksandrovich — студент, кафедра систем автоматического управления и контроля, факультет интеллектуальных технических систем, Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Москва

Аннотация: в статье приводятся результаты исследования датчика положения заслонки на полностью отечественной элементной базе, который позволит измерять угловые положения до 180 градусов с высокой точностью.

Ключевые слова: датчик углового положения, магниторезистор, CORDIC-преобразование.

Введение

Датчики углового положения повсеместно применяются в изделиях автоэлектроники, промышленной автоматики, робототехники. В качестве датчиков широко используются датчики, основанные на использовании магнитного эффекта, включающие в себя датчики Холла или магниторезисторы в качестве чувствительных элементов.

Сигналы с датчиков в дальнейшем обрабатываются с помощью микросхем общего назначения либо микроконтроллеров. Для снижения себестоимости конечных изделий и повышения их технических характеристик целесообразно использовать узкоспециализированные микросхемы преобразователей синусно-косинусных сигналов в аналоговый сигнал.

В связи с этим, встает задача разработки датчика положения на основе магниторезистивных сенсоров и микросхемы преобразователя с выходным инвертирующим каскадом.

Цель и задачи

Целью работы является разработка малогабаритного датчика углового положения заслонки на основе отечественных компонентов.

Решение поставленных задач

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Провести исследование и выбор чувствительного элемента;

2) Провести исследование и выбор микросхемы преобразователя;

3) Разработать схему и плату;

4) Провести исследование разработанных датчиков.

Разработка архитектуры устройства.

В серийных датчиках углового положения заслонки обычно используются решения, представляющие собой магниторезистивный сенсор и специализированную микросхему обработки, объединенные в одном корпусе, такие как KMA199, KMA200 фирмы NXP [1, 2]. Отечественные микросхемы данного класса отсутствуют. Для задач определения положения заслонки, когда измеряемый угол менее 180 градусов, более оптимально использовать анизотропные магниторезистивные чувствительные элементы, так как они дают большую точность за счет формирования двух периодов синусно-косинусного сигнала на один оборот магнита. В качестве микросхемы преобразователя оптимально будет выбрать специализированное решение для задачи определения углового положения.

Таким образом, после проведения анализа существующих отечественных микросхем, в качестве основы устройства были выбраны микросхема преобразователя К1382НХ045 [3] и анизотропные магниторезистивные датчики KMZ41 [4], AMR-001, МРС-20.

БИС служит для преобразования входного синус-косинусного сигнала в линейный по фазе код. БИС может принимать сигнал с любых датчиков положения с синусно-косинусным выходом, при этом амплитуда выходного сигнала датчика не должна выходить за пределы рабочих напряжений БИС. Кроме этого, микросхема может сопрягаться с внешними магниторезистивными датчиками. На входе микросхемы имеются встроенные усилители, сигналы с которых поступают на внутренние АЦП, в которых преобразуются в 13-битный цифровой код. Оцифрованные сигналы поступают в блок вычисления кода фазы по алгоритму CORDIC. Скорректированный сигнал передается в блок ЦАП, откуда поступает на выход микросхемы.

Принципиальная схема устройства содержит в себе минимум дополнительных компонент благодаря микросхеме преобразователя, поэтому требуется лишь установить конденсаторы по линиям

питания сенсора и преобразователя. Выходной инвертирующий каскад основан на ОУ КФ1446УД1А (аналог AD8656).

Конструктивно плата имеет размеры 40х25 мм, что не является предельно минимальным значением (рис. 1).

^ у С4 —Н 01

CI С2

R2C1C6

aasen —

'Я пс

UUU(JwC5

sinnF

icosp,

COSN

ПППП.С1

ULJLJ!

H:i©

C3

VSSR

VDDR

Рис. 1. Изображение печатной платы

Результаты измерений

Измерения проводились с помощью испытательного стенда с электродвигателем Dunkermotoren и оснастки, необходимой для позиционирования сенсора относительно магнита. Кроме того, в состав стенда входит эталонный оптический энкодер БюкАЕБбОВс разрешением преобразования 15 бит и интерфейсом SSI, с данными которого сравнивается полученный с разработанного датчика сигнал.

Оцифровка аналогового сигнала производится с помощью платы PCI-1742U, который сообщается с ПК посредством интерфейса PCI. На ПК программа производит чтение с заданным количеством точек и в желаемом представлении уровней.

В настоящем исследовании производятся измерения 200 тыс. точек с помощью АЦП, чтение производится одновременно с датчика положения и эталонного энкодера. Перед измерениями требуется откалибровать датчик с помощью подстройки регистров смещения преобразователя. Далее производится обработка полученных измерений с помощью скрипта в пакете MATLAB. Обработка требуется для согласования сигналов, так как сигнал с эталонного энкодера не совпадает по уровню с сигналом датчика. После чего необходимо выровнять сигналы по нулевому уровню, при этом графики будут практически совпадать друг с другом. Наконец, производится вычисление отклонения в каждой точке и построение графика с фильтрацией методом скользящего среднего.

На рисунке 2 представлены графики ошибки преобразования разработанного датчика полученных при измерении отклонений от значений эталонного энкодера.

-MPC-20 .....KMZ41 ..........AMR 001

Sf\ ^utitüfflirtfjj

Kv!

V .......................™

\ .............\

—

V i

0.5

1.5

Количество точек

2.5

Рис. 2. График отклонения измерений Таблица 1. Сравнение отклонения измерений различных датчиков

Параметр МРС-20 KMZ41 AMR-001

Отклонение, градусы 2,478 2,342 2,497

Полученная в результате исследования ошибка находится в пределах 3 градусов для всех моделей датчиков. Следовательно, технически данные датчики являются идентичными. Заключение

Разработан датчик положения заслонки на полностью отечественной элементной базе. Результаты исследований датчика показывают, что по техническим характеристикам все исследованные микросхемы магниторезистивных датчиков являются равными.

Разработанное устройство позволит измерять с высокой точностью угловые положения до 180 градусов, имея при этом компактный размер.

Литература

1. NXP Semiconductors. Programmable angle sensor KMA199 // NXP Semiconductors. 2011. [Electronic resource]. URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/KMA199.pdf (date of access: 01.10.2016).

2. NXP Semiconductors. Programmable angle sensor KMA200 // NXP Semiconductors. 2011. [Electronic resource]. URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/KMA200.pdf (date of access: 01.10.2016).

3. АО «ЗНТЦ» Дизайн-центр проектирования СБИС. БИС датчика угла (К1382НХ045) // Зеленоградский нанотехнологический центр - ЗНТЦ, 2015. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.zntc.ru/upload/medialibrary/K1382%D0%9D%D0%A5045_datasheet_v2.pdf/ (дата обращения: 01.10.2016).

4. NXP Semiconductors. Magnetic field sensor KMZ41 // NXP Semiconductors. 2010. [Electronic resource]. URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/KMZ41.pdf (date of access: 01.10.2016).