基于磁敏元件的雙重糾錯(cuò)絕對(duì)式編碼油缸設(shè)計(jì)

劉 毅

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械電子研究所，上海200092）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用微功耗的集成磁敏元件進(jìn)行非接觸式測(cè)量，是傳感檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。針對(duì)長(zhǎng)行程液壓缸的位移檢測(cè)，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出了基于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量的油缸位移測(cè)量方法。該方法采用一個(gè)線性霍爾元件，對(duì)油缸活塞桿齒槽內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，霍爾元件通過(guò)移位讀取絕對(duì)位置編碼。但是該方法需要模數(shù)轉(zhuǎn)化，初始運(yùn)動(dòng)較大一段距離后，才能讀數(shù)測(cè)量，并且按照幀重疊進(jìn)行的編碼序列，不具有唯一性，這不利于編碼的標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)展。為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]提出了一種利用磁敏元件陣列的數(shù)字式位移測(cè)試方法，在編碼識(shí)別中采用具有標(biāo)識(shí)碼的間隔移位讀數(shù)方法，測(cè)量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸。但是，該方法的測(cè)量結(jié)果不能跨越兩個(gè)完整碼區(qū)，所以不能進(jìn)行碼值的逐位糾錯(cuò)。本文使用微功耗集成霍爾元件TLE4913，設(shè)計(jì)一種基于以上基礎(chǔ)的雙重糾錯(cuò)編譯碼油缸，通過(guò)編碼過(guò)程的碼區(qū)填充和譯碼過(guò)程的逐位糾錯(cuò)，使測(cè)量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸的同時(shí)，提高位移測(cè)量過(guò)程的可靠性和抗干擾能力。該方法在長(zhǎng)行程油缸位移測(cè)量中具有很高的性價(jià)比。

1 磁敏元件的選擇

磁場(chǎng)檢測(cè)所用的磁敏元件主要包括半導(dǎo)體磁阻和霍爾器件，它們都可以制成集成線性器件和開關(guān)器件。當(dāng)作為開關(guān)器件使用時(shí)，選擇磁敏元件則主要關(guān)心磁敏元件的體積、測(cè)試探頭的尺寸以及探頭封裝的垂直度，磁敏元件的面積與被測(cè)磁場(chǎng)的面積相比越小，磁場(chǎng)檢測(cè)的分辨率和精度越高。

如圖1所示為微功耗集成霍爾開關(guān)TLE4913，SC59-3-x貼片封裝，供電電壓2.4～5.5V，輸入電流1 μA，導(dǎo)通電流1 mA，長(zhǎng)度和寬度均為3 mm，磁敏感區(qū)小于0.5 mm。該芯片價(jià)格便宜，內(nèi)部集成誤差補(bǔ)償和邏輯運(yùn)算電路，抗干擾能力強(qiáng)，并且具有4 kV靜電保護(hù)，正常工作溫度為-40～85℃，適應(yīng)工程應(yīng)用中液壓油缸的作業(yè)環(huán)境。此外，該芯片工作電壓和功耗都很低，能夠適應(yīng)由電池直接供電的場(chǎng)合，如制成無(wú)線位移傳感器等。

圖1 霍爾元件TLE4913結(jié)構(gòu)原理

2 活塞桿編譯碼的設(shè)計(jì)

2.1 活塞桿編碼原理

工業(yè)工程領(lǐng)域中，長(zhǎng)行程油缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，特別是在大型、重型設(shè)備（如大型水閘提升設(shè)備、海洋工程、工程機(jī)械等）中，使用極其普遍。采用傳統(tǒng)方法對(duì)長(zhǎng)行程油缸進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，必須使用大量程的位移傳感器，如拉線式傳感器、磁致伸縮傳感器等，顯然既不經(jīng)濟(jì)，安裝十分困難，并且不能進(jìn)行絕對(duì)位移測(cè)量。

圖2 磁敏元件位移測(cè)試原理

根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述，采用如圖2所示的非接觸式測(cè)量結(jié)構(gòu)。在被測(cè)的鐵磁性材料工作部件（即油缸活塞桿）表面加工有凹槽和凸槽，上面噴涂有非磁性材料（如陶瓷）。霍爾元件按照排列方向與活塞桿平行安裝，當(dāng)相對(duì)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠檢測(cè)到凹凸部位不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。以單位寬度為b（mm）的凹槽表示數(shù)據(jù)位“0”或填充位，以單位寬度的凸槽表示數(shù)據(jù)位“1”或標(biāo)志位，凹槽或凸槽的高度均為h（mm）。標(biāo)志位用兩個(gè)連續(xù)的凸槽表示，相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)位之間，或者數(shù)據(jù)位與標(biāo)志位之間，均有一個(gè)填充位。所以，在活塞桿表面任取一個(gè)碼段，出現(xiàn)連續(xù)凸槽的一定為標(biāo)志位。另外，數(shù)據(jù)位的編碼規(guī)則采用格雷碼，因?yàn)楦窭状a在相鄰兩個(gè)碼值轉(zhuǎn)化時(shí)，只有一位元素發(fā)生變化，可以減少邏輯混淆和實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)。

按照?qǐng)D2所示的編碼方法，若活塞桿上每個(gè)碼段數(shù)據(jù)的位數(shù)為m，則每個(gè)碼段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=(2m+3)×b，可測(cè)量的活塞桿總長(zhǎng)度為S=2m×(2m+3)×b。若槽寬b=2 mm，當(dāng)m=6時(shí)，S=1 920 mm，當(dāng)m=10時(shí)，S=47 104 mm。實(shí)際中，數(shù)據(jù)碼的位數(shù)由油缸的設(shè)計(jì)行程決定，數(shù)據(jù)碼位數(shù)每增加一位，可測(cè)量的油缸總行程將成倍增加。

霍爾元件的排列覆蓋兩個(gè)碼段，這樣在任意時(shí)刻都能讀取一個(gè)完整的碼段。磁敏元件的排列方法，在一維范圍內(nèi)受元件尺寸的限制，軸間距應(yīng)＞3 mm；在二維范圍內(nèi)受油缸軸徑的限制，徑向范圍排列以2～3組為宜。

2.2 一維霍爾陣列的譯碼

圖3 磁敏元件的一維排列結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)碼區(qū)

按照一維直線排列霍爾元件，設(shè)數(shù)據(jù)位m=6，軸間距為N=4 mm，則碼段長(zhǎng)度為L(zhǎng)=30 mm，覆蓋兩個(gè)碼區(qū)需要16個(gè)霍爾元件，霍爾陣列平行與活塞桿。當(dāng)活塞桿從左往右運(yùn)動(dòng)時(shí)，霍爾陣列每次讀取16位二進(jìn)制序列，如圖3（a）所示。

在X=X0時(shí)刻，霍爾陣列讀取到二進(jìn)制序列為

該序列中能夠找到或補(bǔ)全標(biāo)識(shí)碼序列，因此能夠計(jì)算初始位移

其中，D為標(biāo)識(shí)碼的前置數(shù)值碼，t為標(biāo)識(shí)碼右移的位數(shù)，p根據(jù)標(biāo)識(shí)碼完整與否取為0或者2，具體分析參照文獻(xiàn)[3]。但是，上述霍爾元件陣列讀取到的二進(jìn)制序列是間隔的，因此不保證具有唯一性，所以初始讀數(shù)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤譯碼。

在X=X0+b時(shí)刻，霍爾陣列讀取到二進(jìn)制序列為

將兩次讀取到的二進(jìn)制序列錯(cuò)一位合并成32位序列，即得到一段滑動(dòng)碼區(qū)

從該滑動(dòng)碼區(qū)低位的某一位開始（記為k第位），總能找到兩組連續(xù)的“11”，即為標(biāo)志位R，其中間的低12位部分即為數(shù)值碼（帶填充位的格雷碼，其十進(jìn)制值記為D），如圖3（b）所示。因此，此時(shí)的位移

以上方法使用了滑動(dòng)碼區(qū)，使測(cè)量分辨率小于霍爾陣列的軸間尺寸，所用霍爾元件較少。但是，間隔讀數(shù)所得的序列不具有唯一性，因此上電后第一次讀數(shù)可能出現(xiàn)誤讀。

2.3 二維霍爾陣列的譯碼

如圖4所示，按照二維平面排列兩組霍爾元件，PCB布線時(shí)使霍爾元件公共地在一條直線上。當(dāng)活塞桿從左往右運(yùn)動(dòng)時(shí)，霍爾陣列每次讀取32位二進(jìn)制序列，用同樣的方法判定標(biāo)志位的位置，可求得活塞桿的位移l。

圖4 磁敏元件的二維排列結(jié)構(gòu)

二維排列使霍爾元件數(shù)量增加了一倍，但是每次讀數(shù)使用靜態(tài)碼區(qū)，滑動(dòng)碼區(qū)僅用于填充位和格雷碼規(guī)律雙重糾錯(cuò)，因此實(shí)現(xiàn)了完全絕對(duì)式帶糾錯(cuò)測(cè)量。

2.4 活塞桿的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

制作一段按照?qǐng)D1所示編碼規(guī)律、編碼長(zhǎng)度S=480的活塞桿，采用如圖3所示的譯碼和糾錯(cuò)方式制作傳感器電路板，譯碼芯片采用XC164CS單片機(jī)，該芯片內(nèi)置CAN控制器，能夠?yàn)閭鞲衅鹘AN總線接口。位移測(cè)量結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)（如圖5所示），為活塞桿勻速運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生階躍時(shí)傳感器的跟蹤曲線。

圖5 活塞桿運(yùn)動(dòng)測(cè)試曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

利用磁敏元件絕對(duì)式編碼測(cè)量油缸位移，相對(duì)傳統(tǒng)接觸式和模擬測(cè)量方式而言，具有安裝方便、功耗低和可靠性高等特點(diǎn)，在長(zhǎng)行程油缸絕對(duì)位移測(cè)量中具有良好的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一種使用霍爾開關(guān)TLE4913的編譯碼方案，在試制的油缸活塞桿上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該編譯碼方案具有良好的測(cè)量精度和糾錯(cuò)能力。

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