基于TMR的二線制角度傳感器設計

張　珂，田　躍，王　琦

(北京科技大學 北京市弱磁檢測及應用工程技術研究中心，北京 100083)

基于TMR的二線制角度傳感器設計

張珂，田躍，王琦

(北京科技大學 北京市弱磁檢測及應用工程技術研究中心，北京 100083)

摘要:隧道磁阻(TMR)相比于傳統磁敏感元件具有功耗低、體積小、靈敏度高、溫度特性好等優點。基于TMR芯片設計的兩線制非接觸式角度傳感器，遵循低功耗原則設計了硬件電路，軟件上完成對芯片輸出正弦曲線的修正和角度的校準，通過XTR115芯片實現了工業二線制4～20 mA標準輸出，能對360°全角度進行精確測量。實驗證明：該角度傳感器精度達到設計要求，特別適用于需要遠距離傳輸信號的工業現場。

關鍵詞:隧道磁阻磁傳感器；兩線制；4～20 mA；角度測量

0引言

磁敏角度傳感器是一類利用磁電阻效應對角度進行測量的傳感器，廣泛應用于儀表技術和自動化控制等領域[1]。隧道磁電阻效應(TMR)磁傳感器是世界上第四代磁傳感器應用技術，前三代分別為霍爾(Hall)效應、各向異性磁阻效應(AMR)、巨磁阻效應(GMR)磁傳感器[2]。與前三代技術相比，TMR磁傳感器具有超低功耗、高靈敏度、信號幅值大、尺寸小、溫度特性好等優點，在傳感器應用領域顯示出了強大的潛力[3,4]。

工業應用中，兩線制傳感器可以顯著降低遠距離信號傳輸的成本[5]。工業兩線制標準廣泛采用4～20 mA的電流來作為傳輸信號。基于TMR的兩線制角度傳感器既繼承了TMR在信號采集上的諸多優點，又結合了兩線制4～20 mA輸出在信號傳輸中的優勢，有著極高的實用性。

1芯片選取和測量原理

鑒于TMR芯片的優勢，選取多維公司TMR3002芯片作為角度獲取芯片。TMR3002采用小尺寸LGA封裝(3 mm×3 mm)，具有超低的功耗。芯片為雙軸差分輸出，內部采用推挽式惠斯通電橋結構，能有效地對溫度漂移進行補償。

芯片測量原理如圖1(a)所示，在芯片正上方放置一塊磁鐵，當磁鐵旋轉時，芯片表面磁場分量方向發生變化。如圖1(b)所示，芯片內有兩層磁性層，一層為磁化方向不受外部磁場影響的"釘扎層"，另一層是磁化方向隨外加磁場變化的"自由層"。由于隧道磁電阻效應使得其電阻隨釘扎層和自由層磁化方向夾角呈正/余弦關系變化，從而輸出呈正/余弦變化的電壓。

圖1　 TMR測量原理Fig 1　Measuring principle of TMR

2機械結構設計

傳感器的機械結構如圖2(a)所示，主要包括軸、軸承、上蓋、下蓋。由于TMR芯片對磁場非常敏感，所以,選取低成本的燒結鐵氧體磁鐵提供磁場，磁鐵和電路板之間的間隙選擇2 mm，實現了非接觸。利用TMR芯片小尺寸的優點盡量減小傳感器整體機械尺寸，實物如圖2(b)。

圖2　傳感器的結構Fig 2　Structure of sensor

3硬件電路的設計

二線制角度傳感器所引出的兩根導線既是電源線又是信號線，一般要求系統內部電流總和不能大于3.5 mA，這對整個電路提出了低功耗的要求。

硬件電路結構如圖3所示，利用精密電流變送芯片XTR115實現系統電壓的穩定和對輸出電流的調節。選取低功耗單片機MSP430F155作為信號處理器。

圖3　系統硬件框圖Fig 3　Block diagram of system hardware

3.1信號采集

TMR芯片輸出電壓幅值可達工作電壓的90 %，無需放大電路對信號進行放大即可直接采集，既降低了功耗又避免了信號放大過程中的誤差。如圖4所示，4路信號分別為X+，X-，Y+，Y-，信號通過濾波電容濾掉雜波后分別接入單片機的AD采集接口AD0～AD3。PCB應遵循差分信號走線等長的原則，保證信號的對稱性。

圖4　AD采集電路Fig 4　AD acquisition circuit

3.2電源電路設計

電源電路設計如圖5所示，XTR115芯片內置5 V精密穩壓器，通過Vreg腳對低功耗電源芯片MIC5231提供5 V供電，保證電源芯片的正常工作。XTR115芯片輸出電流Io與輸入電流Iin滿足關系式

Io=Iin×100

(1)

單片機將角度通過DA輸出轉變為模擬量接入到Iin管腳從而控制Io輸出4～20 mA電流。二極管D1對電路提供反向保護，防雷管D2起到了過壓保護的作用，三極管Q1在工作時會產生較多的熱量，應放置于電路板外側，遠離核心元件。

圖5　電源電路Fig 5　Power supply circuit

4軟件設計

基于IAR Assembler for MSP430編程環境編寫軟件流程圖6所示，編寫程序是應注意關閉閑置功能模塊，降低單片機功耗。

圖6　軟件設計流程圖Fig 6　Flow chart of software design

4.1中位值平均濾波

為保證數據穩定性和消除脈沖干擾引起的采樣偏差，首先對采集到的數據進行中位值平均濾波，設采集到的數據為Xi,濾波公式為

(2)

式中X1≤X2≤X3≤…≤XN。選擇采樣個數N=5時能較好地消除脈沖干擾引起的誤差，且響應速度較快。

4.2正弦曲線修正

TMR芯片輸出為兩組差分信號，減少了共模信號的干擾，分別設X軸方向與Y軸方向上的輸出為Vsin(θ,H)，Vcos(θ,H)，即

Vsin(θ,H)=X+-X-

(3)

Vcos(θ,H)=Y+-Y-

(4)

圖7　歸一化輸出曲線Fig 7　Normalized curve of output

(5)

(6)

將算出的誤差實時的補足到原來的曲線上就可以得到修正后的曲線公式

Vsin(θ,H)corr=

(7)

同理可得Vcos(θ,H)corr。

圖8　誤差曲線Fig 8　Curve of error

4.3角度計算和相位變換

在磁場強度H大小不變的情況下，θ作為磁場方向與TMR釘扎層磁化方向的夾角，可以表征磁鐵轉過的角度，利用雙軸輸出的關系可以得到角度θ0為

(8)

根據三角函數的性質，進行相位變換使角度變為真實角度:

象限Ⅰ：θ=θ0sin θ≥0，cos θ≥0；

象限Ⅱ：θ=θ0+180°sin θ≥0，cos θ<0；

象限Ⅲ：θ=θ0+180°sin θ<0，cos θ<0；

象限Ⅳ：θ=θ0+360°sin θ<0，cos θ≥0。

將角度θ轉換為4～20 mA信號輸出，根據最小二乘法原理對數據進行擬合，擬合曲線如圖9所示，其中,R2=0.999 9，表明曲線有較高的擬合度。輸出電流Iout與角度θ之間的關系表達式為Iout=0.044 4θ+3.957 9。曲線表明:測量值與理論值較為吻合，在所測的0°～360°內，Iout大小可以正確反映出角度的變化。

圖9　傳感器輸出特性曲線Fig 9　Output characteristic curve of sensor

4.4分段線性化校準

多次試驗發現傳感器輸出曲線有著良好的重復性，為了進一步提高角度傳感器的精度，消除累積誤差，最后將利用分段線性化的原理對輸出進行校準。

將角度傳感器固定于標準角度測量裝置之上，從0°點開始，每隔4°的真實角度記錄一次傳感器的采樣角度值，并將其作為區間分界點。于是整個360°被劃分成90個區間，每個區間的長度為4°。假設在每個4°的小區間內角度是線性變化的，采樣得到的角度值θ位于第n個4°區間中，區間的端點為[Ln，Hn]，則校準后得到角度θ′為

(9)

對于誤差較大的區間，如[170,190]區間，可以減小分段區間的長度，每2°作為一個小區間進行校準，對其進行更為精確的校準。

5實驗結果

將校準后的角度傳感器固定在數顯回轉工作臺之上，通過閉環系統控制電機實現角度的精準定位，對角度傳感器進行測試。

測試結果如表1，實驗結果表明:角度傳感器可以對0°～360°全量程進行精確測量，輸出電流最大誤差在0.06 mA以內，引用誤差小于0.4 %，達到設計要求。利用高低溫箱對角度傳感器進行的溫度特性測試表明在-30～60 ℃的范圍內，傳感器輸出變化在±0.01 mA以內，有著良好的穩定性。

表1　測試結果

6結束語

基于TMR的二線制角度傳感器具有功耗低，非接觸，體積小，溫度穩定性好等優點，能對0°～360°全角度進行測量，高靈敏度的特點使其相比其他傳感器有著更大的測量間隙。兩線制4～20 mA的標準輸出節約了信號傳輸的成本，可廣泛應用于需要信號遠傳的工業現場。

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Design of two-wire system angle sensor based on TMR

ZHANG Ke,TIAN Yue,WANG Qi

(Beijing Weak Magnetic Detection and Application Engineering Research Center， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Abstract:Compared to traditional magnetic sensitive elements,TMR has low power consumption,small size,high sensitivity and good temperature characteristics,etc,a two-wire non-contact angular sensor is designed based on TMR chip,according to low power consumption rule,hardware circuit is designed.Revision of sinusoidal curve of chip output and calibration of angle are performed by software,realize two-wire 4～20 mA output with XTR115 chip,which is able to measure 0～360° accurately.Experiment prove that the precision achieves requirements,which is especially for industrial situation when long-range signal transmission is necessary.

Key words:TMR magnetic sensor；two-wire；4～20 mA；angle measurement

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0080—04

收稿日期：2015—08—17

中圖分類號:TP 212

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)05—0080—04

作者簡介:

張珂(1990-)，男，山東濱州人，碩士研究生，主要研究方向為弱磁檢測與磁敏傳感器應用技術。