БЕСКОНТАКТНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для определения углового положения вала привода, а также может быть использована для определения углового положения и угловой скорости перемещения следящих электроприводов в системе автоматизированного управления.
Известен бесконтактный магниторезистивный преобразователь угла поворота, содержащий постоянные магниты и один полномостовой интегральный магниторезистивный элемент (сенсор), например НМС1501 фирмы Honey-well [1]. Недостатком этого преобразователя является возможность определения угла поворота только в диапазоне плюс-минус 45°, а также нелинейность выходной характеристики и температурное изменение крутизны сенсора.
Известен бесконтактный магниторезистивный преобразователь угла поворота, содержащий постоянные магниты и интегральный магниторезистивный сенсор с двумя полномостовыми чувствительными элементами, например KMZ41 фирмы NXP Semiconductors [2]. Такой преобразователь имеет расширенный диапазон рабочих углов до плюс-минус 90°, но обладает нелинейностью выходной характеристики, так как выходные сигналы пропорциональны sin и cos удвоенного угла поворота, и недостаточной точностью, определяемой гистерезисом выходной характеристики.
7
Известен бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения, который выбран в качестве прототипа. Патент на полезную модель RU №78348, MKИ G01B 7/00 [3].
Известное устройство содержит регулятор напряжения, защиту от обратного и перенапряжения, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, при этом входы защиты от обратного и перенапряжений соединены через контактные площадки печатной платы с источником постоянного тока, а его выходы соединены со входами регулятора напряжения, а первый выход дополнительно соединен с первым входом преобразователя в ток, выходы мультиплексора соединены с входами инструментального усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом преобразователя напряжения в ток, выход которого через контактную площадку печатной платы соединен с системой автоматизированного управления, причем мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс соединены между собой магистральной шиной, второй порт последовательного интерфейса через разъем печатной платы может быть соединен с персональным компьютером, отличающийся тем, что он содержит полномостовой магниторезистивный чувствительный элемент, измерительный резистор, прецизионный источник опорного напряжения, при этом выходы регулятора напряжения соединены со входами прецизионного источника опорного напряжения, первый выход которого непосредственно соединен с первым входом мультиплексора и через измерительный резистор, контактную площадку печатной платы соединен с первым выходом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента и со вторым входом мультиплексора, второй выход прецизионного источника опорного напряжения через контактную площадку печатной платы соединен со вторым выходом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента, третий и четвертый выходы которого через контактные площадки печатной платы соединены соответственно с третьим и четвертым входами мультиплексора. Магниты закрепляются на подвижной части (роторе) конструкции датчика.
Недостатком указанного технического решения является узкий диапазон рабочий углов, недостаточная точность, не более 1°, связанная с разбросом характеристик, наличие гистерезиса и температурной зависимости датчика магниторезистивного чувствительного элемента.
Целью предполагаемой полезной модели является расширение диапазона рабочих углов и повышение точности магниторезистивного датчика углового положения.
Поставленная цель достигается тем, что бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения, содержит постоянный магнит, расположенный на валу привода, первый магниторезистивный сенсор с полномостовым чувствительным элементом, мультиплексор, масштабирующий инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, последовательный интерфейс и первый цифроаналоговый преобразователь, причем выходы первого магниторезистивного сенсора соединены с первым и вторым входами мультиплексора, выход которого через масштабирующий инструментальный усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым информационным входом микроконтроллера, первый информационный выход которого через последовательный интерфейс соединен с внешней ПЭВМ, а второй информационный выход соединен с входом первого цифроаналогового преобразователя. В магниторезистивный датчик углового положения введены второй магниторезистивный сенсор с полномостовым чувствительным элементом, причем первый и второй магниторезистивный сенсор содержат каждый по два магниторезистивных чувствительных элемента, расположенных на верхней и нижней стороне печатной платы в поле постоянного магнита, датчик температуры, выход которого соединен с пятым входом мультиплексора, второй цифроаналоговый преобразователь и программируемый источник опорного напряжения, причем вход второго цифроаналогового преобразователя соединен с третьим информационным выходом микроконтроллера, а выход через программируемый источник опорного напряжения с входами первого и второго магниторезистивного сенсора.
Для расширения диапазона рабочих углов до плюс-минус 180° магниторезистивного датчика углового положения, дополнительно введен датчик Холла, логический выход которого соединен с третьим информационным входом микроконтроллера.
Для обеспечения использования магниторезистивного датчика углового положения в следящих системах со стабилизацией по углу и угловой скорости, дополнительно введен третий цифроаналоговый преобразователь и вычислитель угловой скорости, вход которого соединен с четвертым выходом микроконтроллера, а выход с входом третьего цифроаналогового преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема бесконтактного интеллектуального магниторезистивного датчика углового положения, на фиг.2 приведена схема взаимного расположения постоянного магнита на валу привода и размещения двух магниторезистивных сенсоров и датчика Холла на печатной плате по отношению к магниту.
Структурная схема фиг.1 бесконтактного интеллектуального магниторезистивного датчика углового положения содержит:
- первый 1 и второй 2 магниторезистивные сенсоры с двумя полномостовыми чувствительными элементами каждый;
- мультиплексор 3;
- масштабирующий инструментальный усилитель 4;
- аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП);
- микроконтроллер 6;
- последовательный интерфейс 7;
- первый цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП);
- датчик температуры 9;
- второй цифроаналоговый преобразователь 10;
- программируемый источник опорного напряжения 11;
- датчик Холла 12;
- вычислитель угловой скорости 13;
- третий цифроаналоговый преобразователь 14;
- печатная плата с датчиками 15;
- постоянный магнит 16 на валу привода.
Указанные элементы схемы датчика углового положения представляют собой:
- магниторезистивные сенсоры, например, типа КМТ32 В (фирма HL-Planartechnik);
- микроконтроллер, например, 32-разрядный микроконтроллер семейства ARM Cortex-M3;
- масштабирующий инструментальный усилитель, например, на операционном усилителе (ОУ) AD8552ARZ («Analog Devices») с масштабирующими резисторами;
- мультиплексор, например, встроенный аналоговый мультиплексор микроконтроллера;
- аналого-цифровой преобразователь, например, встроенный АЦП микроконтроллера;
- датчик температуры, например, терморезистор с измерительным усилителем на ОУ типа AD8552ARZ с масштабирующими резисторами, или непосредственно магниторезистивные сенсоры, так как сопротивление измерительного моста сенсоров имеет линейную зависимость от температуры;
- последовательный цифровой интерфейс, например, встроенный канал UART микроконтроллера;
- первый, второй и третий цифроаналоговый преобразователи, например, встроенные ЦАП микроконтроллера;
- программируемый источник опорного напряжения, например, на ОУ типа AD8552ARZ с буферным усилителем на p-n-p транзисторе типа 2Т3129;
- датчик Холла, например, типа К1116КП8ПКБ (ЗАО «Группа Кремний-ЭЛ», г.Брянск);
- вычислитель угловой скорости, например, реализованный программным путем на 32-разрядном микроконтроллере семейства ARM Cortex-M3.
Бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения работает следующим образом:
1
1
2
2
Информационные сигналы sin 2·ε, cos 2·ε, sin 2·ε и cos 2·ε с выходов первого 1 и второго 2 магниторезистивных сенсоров, поступают на входы мультиплексора 3. С выхода мультиплексора 3 сигналы поочередно поступают на масштабирующий инструментальный усилитель 4, где производится нормирование снятых величин. Аналоговая информация с инструментального усилителя 4 поступает на аналого-цифровой преобразователь 5, где производится оцифровка аналоговой информации и цифровые данные поступают на микроконтроллер 6. По результатам нескольких измерений микроконтроллер осуществляет усреднение данных и производит вычисление углового положения по формуле
вц
ср
ε=arctg 2·ε
вц
где ε - вычисленное цифровое значение угла;
ср
ε - усредненное значение (sin/cos) отсчетов данных двух сенсоров.
ср
Вычисленное цифровое значение угла ε от микроконтроллера 6 по последовательному интерфейсу 7 поступает на внешнюю ПЭВМ системы управления и одновременно через первый цифроаналоговый преобразователь 8 на аналоговый выход магниторезистивного датчика углового положения.
Значение температуры с датчика температуры 9 через мультиплексор 3, масштабирующий инструментальный усилитель 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 поступает на микроконтроллер 6, где вычисляется оптимальное для данной температуры цифровое значение напряжения питания магниторезистивных сенсоров 1 и 2, которое по командам с выхода микроконтроллера 6 через второй цифроаналоговый преобразователь 10 и программируемый источник опорного напряжения 11 поступает на сенсоры 1 и 2, обеспечивая постоянную крутизну выходных сигналов при изменении температуры.
Логический сигнал с датчика Холла 12 позволяет определить область работы датчика и расширяет диапазон вычисляемых углов до значения плюс-минус 180°.
ср
Вычислитель угловой скорости 13 по результатам нескольких отсчетов значения угла ε вычисляет текущее значение угловой скорости ω вращения вала привода. Цифровое значение угловой скорости ω через микроконтроллер 6 и последовательный интерфейс 7 выдается на внешнюю ПЭВМ системы управления и одновременно через третий цифроаналоговый преобразователь 14 на аналоговой выход датчика угловой скорости.
Применение двух магниторезистивных сенсоров с двумя полномостовыми чувствительными элементами каждый, обеспечивает расширение рабочего диапазона углов до плюс-минус 90° и позволяет повысить точность за счет усреднения данных двух сенсоров, а установка двух дополнительных магниторезистивных чувствительных элементов с нижней и верхней стороны печатной платы во вращающемся поле постоянного магнита, установленного на валу следящей системы, позволяет уменьшить влияние гистерезиса и дополнительно повысить точность измерения углового положения.
Введение датчика Холла увеличивает однозначное определение угла до плюс-минус 180° (менее 360°). Увеличение диапазона угла поворота позволяет пропорционально увеличить разрешающую способность магниторезистивного датчика углового положения.
Введение вычислителя угловой скорости и третьего цифроаналогового преобразователя позволяет использовать датчик в следящих системах со стабилизацией по углу и угловой скорости.
Литература:
1. Linear /Angular/ rotary Displacement sensors HMC1501/1512. http://www.ssec.honeywell.com
2. KMZ41. Magnetic field sensor. http://nxp.com
3. Бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения. Патент RU №78348 U1 по заявке №2008126620/22 от 30.06.2008 г, опубликовано 20.11.2008 Бюл. №32.