利用雙軸霍爾元件進(jìn)行角位置測量

利用雙軸霍爾元件進(jìn)行角位置測量摘要：一種帶有360°感應(yīng)能力的獨(dú)特IC元件擴(kuò)展了霍爾效應(yīng)技術(shù)在角度位置產(chǎn)品中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：磁盤磁通量鐵磁PWM磁體2軸Hall傳感器結(jié)合了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS過程和平面磁集中器。在一相非常小的鐵磁盤集中器邊緣的硅模型上放置了四套Hall元件，此集中器由一個(gè)和芯片表面相連的高滲透性及低強(qiáng)制磁場的鐵磁層組成。該流量集中器把平行于裝置表面的場元件轉(zhuǎn)換成與元件垂直的元件，在其制造過程中允許使用傳統(tǒng)的CMOSHall技術(shù)。磁場的垂直元件在磁盤邊緣（Hall元件位于此）附近時(shí)最強(qiáng)。流量集中器不需放大裝置噪音即可提供場放大。國1.集成的鐵瞭集中器位于硅模型中央，霍爾元件在瞄設(shè)）夠。平行通量磁場被轉(zhuǎn)換到由霍爾元件（印感應(yīng)的垂直通星磁場。T顯示帶有移動(dòng)的四德爾元件的詳^布局被展示在（S：霍爾元件位于磁盤的四個(gè)象限以提供X、Y輸出（參看圖1）。每軸只需一個(gè)霍爾元件，但通過測量每個(gè)象限位置的兩個(gè)裝置的差分電壓可實(shí)現(xiàn)額外增益及減少偏差。XI、X2和Y1、Y2霍爾元件間的差分輸出，包括偏差、放大、偏移消除以及溫度穩(wěn)定功能，可通過集成電子電路處理。在場強(qiáng)低至20mT（200G）時(shí)可得到2.5V±2.0V的滿量程線性輸出。Vx和Vy輸出可平衡至存在極小偏差。因?yàn)槠鋯文＝Y(jié)構(gòu)特性，兩種輸出不僅匹配而且有卓越的跟蹤性能。這種技術(shù)固有的幾種獨(dú)特性能使其特別適合用于精確感應(yīng)，如非線性＜0.1%且磁滯現(xiàn)象＜0.03%的現(xiàn)場。

圖2.雙軸芯片能產(chǎn)生與隹感器上方跳體旅轉(zhuǎn)的場鐺量&可成正匕哪輸出。因?yàn)閮H有一個(gè)感應(yīng)軸，故傳統(tǒng)的、基于單元件線性霍爾芯片的、非接觸角度位置傳感器存在理論上180°的最大角限制。而這種兩軸線性霍爾芯片可檢測360°的旋轉(zhuǎn)且可提供此范圍內(nèi)的完全位置信息。如圖2所示，一個(gè)橫過其直徑并被磁化的磁體附于一軸，且在IC上方圍繞磁體與IC中心線旋轉(zhuǎn)。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，芯片可感應(yīng)到磁場的磁向量并產(chǎn)生分別與正弦、余弦信號(hào)成比例的Vx和Vy信號(hào)。如（1）方程所示，一個(gè)代表全角度的電壓可通過采用一個(gè)小型8位微控制器或同等的處理器，計(jì)算Vx和Vy的角度正切得到（見圖3）(B) 2SA-10Ouputsignals苗3.奴軸ic的輸出由T■徵控^器力江姓理以產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)角找誠正k固輸出?？囐惓鲭妷菏羌馑蚕遥┖徒彝遥╋暤囊粋€(gè)詡數(shù)。Vx=SxXBXcosVx=SxXBXsin(1)IC的增益靈敏度Sx和Sy緊密相配并與溫度對(duì)應(yīng)。因此我們可假定Sx和Sy相等：如果Sx=Sy=S,則有Vy/Vx=SXBXsin/SXBXcos=sin/cos=tan(2)因此，=arctan(Vy/Vx)=Vout(3)每180°角正切函數(shù)重復(fù)且在90°和180°、Vx=0時(shí)變成無窮大。因此這可通過如下方程計(jì)算：(Vx>0,Vy>0),=arctan(Vy/Vx)(4)(Vx=0,Vy>0),=90°(5)(Vx<0),=180°+arctan(Vy/Vx)(6)(Vx=0,Vy<0),=270°(7)(Vx>0,Vy<0),=360°+arctan(Vy/Vx)(8)圖4.函為-個(gè)基于2軸霍爾IC的典型角度位置傳感囂的切面圖-通過Vy除Vx,則由S或B變化引起的潛在可變性能被抵消。因此其模擬輸出電壓代表的角度獨(dú)立于磁體力、溫度效應(yīng)和IC的增益敏感度。輸出成為磁場矢量量的一個(gè)函數(shù)，并將一直代表磁體在整個(gè)360°范圍內(nèi)的絕對(duì)機(jī)械位置。圖4顯示了一個(gè)典型的360°角度誤差，能量可被轉(zhuǎn)移并重新應(yīng)用，而不會(huì)損失磁體的絕對(duì)位置。圖5.位于非磁性金屆外殼內(nèi)部的泛觸I口耕目關(guān)電子電路也可通過金屬（如段所朝閥）校JRiHW械裝置的旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的DC場能通過任何非鐵磁的材料，如鋁、300系列不銹鋼和塑料。因此兩軸IC和相關(guān)電子元件可安裝在一個(gè)絕對(duì)密封的金屬外殼里，從而使其與旋轉(zhuǎn)器件進(jìn)行機(jī)械隔離。這種結(jié)構(gòu)的另一種優(yōu)勢(shì)是它可給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)施加零“拖動(dòng)”。例如，如果安裝一個(gè)磁體在軸內(nèi)并將一個(gè)采用該技術(shù)的傳感器置于外部，則傳感器可測量密封腔里的閥位置（參看圖5）。雖然結(jié)合微控制器計(jì)算角度可能被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)，但因有微控器和IC的360°信息，其潛在傳感器解決方案眾多并且其產(chǎn)品功能可以得到極大地?cái)U(kuò)展。任何定制的輸出曲線都可被編程，輸出可以是模擬的、PWM、PPM或連續(xù)數(shù)字信號(hào)。磁體到傳感器的機(jī)械調(diào)節(jié)可以僅通過簡單

設(shè)定360°范圍內(nèi)的啟動(dòng)點(diǎn)來省去。W (B)圖6.雙軸可安裝在單軸湖桿白旋磚軸上?以直授則量解角度■■此裝置可用兩個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)電路提供提供豐富的輸出形式偈)和(S).單軸操縱桿.雙軸線性霍爾傳感器為非接觸性單軸操縱桿提供了一個(gè)簡單的解決方案。圖6展示了一種結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中磁體被安裝在操縱桿把手的軸里，IC被安裝在附于裝置架構(gòu)的PCB板上。通過在把手兩邊的任一邊安裝一個(gè)傳感器，就可形成了一個(gè)雙重冗余的操縱桿。其IC位于磁體軸的中心線上。旋轉(zhuǎn)角度可通過計(jì)算Vx的Vy角度正切即可得到，與前面提到的360°旋轉(zhuǎn)應(yīng)用相似。由于有微控制器和傳感器的360°位置信息，故產(chǎn)品可形成各種輸出曲線，這樣即可取消感應(yīng)裝置機(jī)械和旋轉(zhuǎn)把手的調(diào)節(jié)。Vout=arctan(Vy/Vx)(9)W 間島！7.對(duì)于操獨(dú)桿應(yīng)用，兩軸倫?可遨在睇萬向幡的中心。在±3口。內(nèi)X和丫的輸出為踐坎.另一個(gè)姑祠中「Ia是逐在球形連接處，麗he?還在球正解的中心-雙軸操縱桿大部分雙軸操練桿可通過安裝在萬向軸系統(tǒng)的兩個(gè)電位計(jì)及從傳感器提取X與Y向的相關(guān)數(shù)據(jù)來測量它們的位置。通過安裝一個(gè)雙軸IC在球形旋轉(zhuǎn)的中央并在把手里安裝一個(gè)磁體，即可構(gòu)造一個(gè)簡單、雙軸的非接觸的操縱桿。(如圖7所示)。.X-AXISRefvoltRefvolt■Output■Y-AXISOutpuL.X-AXISRefvoltRefvolt■Output■Y-AXISOutpuL圖8磁體困隆位于球形晚中牌）的雙軸LG旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的電壓輸出是一正弦輸出〔口輸出位于齡、桿中心位蚤嫗B'理正弦波的展開圖顯示了成G角度為中心的約邨蜩住范虱期讖性C紅色表示）如.1%的F.S.CQ'1IC的X、Y輸出與磁場向量成正比。此向量外形是X、Y平面磁場向量的正弦波，當(dāng)操縱桿位于其中心位置時(shí)輸出為0（參看圖8）。在0°附近的0°—60。范圍正弦波的非線性為＜1%。由于大部分操縱桿存在土30。的典型應(yīng)用范圍，故通過此霍爾傳感器產(chǎn)生的線性輸出電壓簡單并能很好地應(yīng)用于非接觸雙軸操縱桿。不需計(jì)算，X、Y輸出值也能直接與場強(qiáng)和IC敏感度成正比，因此它們可直接采用圖9所示的電路。根據(jù)精度要求，此電路的輸出水平可能須調(diào)校機(jī)械位置以補(bǔ)償B和電路敏感度的變化。脂g.雙軸Ic的線性輸出可提蝴^相E±3『內(nèi)的X、￥輸出。其工號(hào)V+2.0V輸出要參照I。的172Vdd依：5：M.）參考電壓口輸出與電源電壓比例對(duì)應(yīng)。高分辨率傳感器圖10展示了一種得到更高分辨率的方式，以及通過運(yùn)用兩個(gè)X、Y芯片和兩個(gè)磁體改善旋轉(zhuǎn)位置傳感器精度的方法。

圖10.妾質(zhì)和單極破■體可以用來產(chǎn)生角度位置瞬確和粗略測量-務(wù)槌感器位于磁體周圍，粗略觥熟在履轉(zhuǎn)輒上（隔處理兩個(gè)I。-信號(hào)苗基本電路姐（日）所示-與下部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個(gè)單極磁體，可通過每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的一個(gè)電循環(huán)的正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行粗略的測量。與上部PCB上的IC相聯(lián)的磁體是個(gè)多極環(huán)磁體，其可通過每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的n個(gè)電循環(huán)的正弦和余弦信號(hào)提供精確測量，這里n二極對(duì)數(shù)（參看圖11）CoarseFine(360/zi)Ouyput^>03060901201￡O1S02102402703d。CoarseFine(360/zi)Ouyput^>03060901201￡O1S02102402703d。33036。茵11由圖中可見,對(duì)于每？完整W案」在粗略傳感器中產(chǎn)生一個(gè)周瞬正弦余弦信號(hào),而在部傳感器中骨眄生&個(gè)醐的正弦余弦信wdsoE號(hào)UU0/號(hào)口每個(gè)電循環(huán)周期有0.1°的分辨率，因此一個(gè)完整轉(zhuǎn)的總分辨率為0.1°/n。如果n=8極對(duì)，分辨率則變成0.1°/8=0.0125?；?5arc/秒。下部PCB的粗略信息可用于確定多極環(huán)磁體的哪個(gè)部分（極對(duì)）在上部PCBIC的前面。在單極或360°/n的測量范圍內(nèi)，精度也可通過n的數(shù)量改善（精度二0.5°/n）且一個(gè)360°轉(zhuǎn)的整體精度可通過電子校正極大地提高。其精確和粗略信號(hào)可由一個(gè)微控制器處理以產(chǎn)生一個(gè)更高分辨率和更高精度的輸出。羅盤另一個(gè)獨(dú)特應(yīng)用是電子羅盤（參看圖12），在該裝置中IC被安裝在一個(gè)可以自由移動(dòng)的磁體的上方。(A) (B)12例面圖顯示的北鼬體正位于戲軸傳感器的下方，該雙軸隹蔥器可感應(yīng)與磁體平行的磁場。當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，隹感器育薩生畛和*輸出所需的正弦和余弦信號(hào)（可被轉(zhuǎn)祺為磁體佻）的絕對(duì)位置焉搜尋磁力的霞體被安裝茁低部的拖動(dòng)袖承裝置上以便自由移動(dòng)歸k由于該磁體旋轉(zhuǎn)和排列的與地球磁場一致，因此它能產(chǎn)生一個(gè)與磁體方向一致的場向量。由于磁體的場強(qiáng)遠(yuǎn)高于地球的場強(qiáng)（僅60町即600mG），其與傳感器的全量程場強(qiáng)相比太低。較強(qiáng)的磁體場強(qiáng)可通過傳感器檢測到，且當(dāng)羅盤磁體圍繞旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，其水平磁通在IC的Vx和Vy的輸出上產(chǎn)生正弦和余弦電壓信號(hào)。根據(jù)上述角度傳感器的描述，這些輸出信號(hào)可被轉(zhuǎn)換成與角度成比例的模擬或數(shù)字電壓，如下所示：Vout=arctan(Vy/Vx)(10)無刷直流電機(jī)控制如果在無刷直流電機(jī)的尾部放置一個(gè)雙軸線性霍爾元件并將一個(gè)磁體插入軸內(nèi)(如圖13所示)，則可從IC產(chǎn)生2相求積控制信號(hào)。該線性IC具有100,000rpm的最大角速度，在此應(yīng)用中它的優(yōu)勢(shì)在于消除直流無刷電機(jī)控制中的人工離散裝配霍爾裝置時(shí)出現(xiàn)的間隙誤