基于隧道磁阻效應的反正切轉速測量方法*

蔣孝勇,李孟委*,張曉峰,張加書,包旭馨

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.中北大學微系統集成研究中心,太原 030051)

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基于隧道磁阻效應的反正切轉速測量方法*

蔣孝勇1,2,3,李孟委1,2,3*,張曉峰2,3,張加書3,包旭馨1

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.中北大學微系統集成研究中心,太原 030051)

針對傳統轉速測試系統精度低、溫度穩定性差、測量范圍窄等問題,提出一種基于隧道磁電阻(TMR)效應的高性能轉速測試系統。在沒有誤差校正的情況下實現了0.19°的位置檢測精度,已經達到了工程應用中常見的2 000線編碼器精度。本方法在被測轉軸上布置磁柵環,利用具有高分辨率高頻響特性的隧道磁電阻傳感器對磁柵微弱磁場變化進行檢測,得出頻率隨轉速變化的正余弦信號。實驗分別采用定時測角法、定角測時法和反正切法計算轉速,結果表明3種算法中反正切算法檢測精度最高,可達1.25%,更適合于隧道磁阻轉速測量系統。

轉速測量;隧道磁阻傳感器;反正切;環形磁柵

轉速測量技術已被廣泛運用于汽車和工業領域,并在速度、角度、角速度、旋轉方向等方面的測量有著重要的貢獻[1-3]。轉速測量的方法主要分為:光電式、感應發電機式、霍爾式、磁阻式等[4]。目前國內外光電式編碼器測量精度最高可達24位,位置檢測精度為0.07″,但光電式測速方法防塵、防油污、抗震動能力差[5-6]。文獻[7]中提到用巨磁阻效應進行轉速測量實現的速度測量精度為0.63%,但位置測量精度僅為11.25°。江蘇多維科技采用的隧道磁阻轉速測量方法可達到0.35°的位置檢測精度。本文采用的是靈敏度最高、響應速度最快、溫度穩定性最好的第4代隧道磁阻傳感器TMR[8]進行轉速測量,以解決傳統轉速測量中精度低、響應慢、溫度穩定性差等問題。

傳統的編碼器測速算法主要有定時測角法,定角測時法以及混合測速法等測速方法[9-10],但是測速穩定性和測速延時之間的矛盾一直是阻礙傳統測速方法進一步發展的障礙。本文分析對比3種轉速測量方法(定時測角法、定角測時法、反正切法)后,最終采用反正切轉速測量方法[11],理論上只要ADC采樣頻率和轉換精度足夠,可以實現任意轉速下的轉速測量。

1 隧道磁阻效應

隧道磁阻效應是一種凝聚態量子力學效應,磁致電阻在室溫下可引起阻值1 056%的劇烈變化[12],并且隨場強增長成幾何數增長。本文基于此提出一種隧道磁阻效應的轉速測量原理,利用磁敏感電阻檢測電機驅動磁體導致的磁場變化,磁場變化引起磁敏電阻中的電子自旋,從而導致隧道磁阻阻值發生劇烈變化,通過測量阻值變化實現對轉速的檢測。表1給出了4種不同效應下的傳感器性能對比。

表1 Hall、AMR、GMR、TMR性能指標對比

為了對比ARM、GMR、TMR磁阻效應的性能參數,本文搭建了磁屏蔽桶標定實驗。同時測試標定了TMP(P44FP);TMR(Q4V7F);GMR(MTG-L5B);AMR(MT10C)4種磁阻傳感器的靈敏度和線性度指標。4種傳感器均采用惠斯通放大電路。磁屏蔽桶不僅可以屏蔽外界磁場干擾,而且可以提供一個高精度的磁場環境。磁屏蔽桶可以提供(5.57×10-4～0.890 68)Oe范圍的磁場。信號發生器輸出電壓作為磁屏蔽桶的電源,由精密萬用表反饋回的電壓值計算出屏蔽桶內的磁場強度。具體連接方式如圖1所示。

圖1 實驗系統

將傳感器測試電路板固定在安裝臺上,保證傳感器的敏感軸方向與桶軸向平行。由屏蔽桶提供步長為0.05 Oe的磁場環境。記錄傳感器的差分輸出電壓值。每種傳感器進行4組標定實驗,并用MATLAB分別擬合三種傳感器的靈敏度。實驗數據結果如圖2所示,在同等實驗條件下,TMR傳感器靈敏度要比AMR高一個數量級,比GMR高出2個～3個數量級。TMR、AMR、GMR線性度水平相當,都能很好的滿足實際應用需求。

圖2 實驗數據及結果

2 轉速測量算法對比

轉速傳感器測速的工作原理為:磁阻傳感器輸出的電壓信號頻率與電機的轉速成正比。檢測磁阻傳感器的輸出信號頻率就可以計算出電動機轉速。將磁柵安裝在電機軸端上,隨著電機轉子一起旋轉。磁柵環有44個磁極對,根據正反方向的充磁形成交替的N、S極。將磁阻傳感器固定在隨旋轉軸旋轉的磁柵環上表面。磁阻傳感器具有兩個相互正交的敏感軸。旋轉的磁柵在磁阻傳感器的上表面產生正弦變換的磁場,磁阻傳感器的兩端輸出正弦變化的電壓值。轉速測量的原理示意圖如圖3所示。

圖3 磁阻式輪速傳感器工作原理圖

①反正切測頻法

磁阻傳感器輸出兩路正交的正余弦信號,對兩路信號進行采樣周期為t的采樣,得到tn時刻的兩路信號的電壓值Vx、Vy,再利用θ=arctan(Vx、Vy)計算出tn時刻的角度值θn,θn-1為tn-1時刻的角度值。利用相鄰時刻的角度差除以采樣周期得出轉速值w。圖4為反正切原理圖。計算公式如式(1):

(1)

圖4 反正切測速原理

②定時測角法

首先將正余弦信號通過電壓比較器轉換成方波信號。然后在一定測量時間T內,測量脈沖發生器產生的脈沖數m1來測量轉速(一個脈沖對應固定角度δ)。在時間T內,轉軸旋轉的角度為αn=m1δ。原理如圖5所示。

圖5 定時測角法原理圖

設在時間T內,轉軸轉過的弧度數為αn,則的轉速w可由式(2)表示。

ω=αn/T

(2)

③定角測時法

讓旋轉軸轉過已知角度,通過測量轉過該固定角度所用時間計算轉速。假設轉軸轉過m2個固定脈沖所用的時間為Tp,一個旋轉脈沖對應的角度為δ,則m2個固定脈沖對應的角度為m2δ。轉軸的轉速可由式(3)計算得到。原理如圖6所示。

ω=(m2δ)/Tp

(3)

圖6 定角測時法原理圖

通過3種算法的原理分析可知,反正切轉速測量方法理論上只要保證ADC的采樣頻率和采樣精度,可以實現任意轉速下的測量,且測量精度高。定時測角法,在高轉速下檢測精度高,但低轉速下存在數不到脈沖的問題,導致測量精度低。定角測時法,在低轉速下檢測精度高,高轉速下,檢測精度低。本文通過實驗,驗證了反正切測量方法檢測精度高于定時測角法和定角測時法。

3 實驗測試與結果分析

實驗測量儀器采用MOXA直流伺服電機系統。磁柵環由MOXA直流伺服電機帶動旋轉。旋轉速度與旋轉時間通過上位機軟件控制。測速系統包括磁柵環、TMR磁阻傳感器和信號調理電路。轉動的磁柵環在隧道磁阻傳感器上表面形成正弦變化的磁場。TMR傳感器輸出相位相差90°的正余弦信號,經儀表放大器放大后,進行低通濾波,最后經模數轉換傳輸給微控制器進行轉速解算,再由串口傳輸到上位機進行顯示存儲。詳細框圖如圖7所示。

圖7 系統總框圖

傳感器的信號調理電路部分作用為對微弱信號進行放大檢測和模數轉換,并通過RS232通信協議傳輸給上位機軟件。微弱信號檢測電路采用AD623儀表放大器,模數轉換電路采用AD7689芯片。主控制器為STM32F103。圖8為轉速測量系統的電路板實物圖。

圖8 隧道磁阻式輪速傳感器原理樣機

磁阻傳感器的安裝誤差將直接影響最終的轉速測量精度。磁敏感頭的安轉位置取決于磁柵環周圍磁場分布。本文采用Maxwell磁場仿真軟件,建模仿真得出的44磁極對汝鐵硼材料磁柵環上表面2 mm處的磁場分布曲線。仿真結果顯示磁柵環上表面磁場為正弦分部,旋轉的磁柵環會引起磁阻傳感器輸出端電壓呈相位相差90°的正余弦變化。能滿足反正切轉速測量要求。通過磁場仿真可以更準確的確定磁阻傳感器與磁柵環的相對位置。磁阻傳感器檢測磁柵環上表面2 mm處徑向和切線方向的磁場強度(及X方向和Y方向)。

磁珊環由MOXA直流祠服電機帶動旋轉,為轉速測量系統提供一個已知的轉速信號源。本文使用STM32單片機中的atan2(*,*)函數,該函數的值域范圍(-π,π)。atan2(y,x)可以根據(x,y)坐標確定該點所在象限或是落在某一坐標軸上,進而避免了特殊角度計算出錯現象。

在角度測量實驗中通過直流電機伺服控制系統讓電機由靜止到固定轉速下旋轉,采集解算角度數據如圖9所示。轉速為零時,角度檢測誤差為0.19°。比江蘇多維科技提供的TMR3101型絕對位置編碼器角度精度0.35°高43.17%。理論上在反正切轉速測量中,提高ADC的采樣頻率和采樣精度可最大限度地提高角度測量精度。

圖9 角度測量實驗結果圖

在轉速測量實驗中通過直流電機伺服控制上位機軟件讓電機分別在0 r/s、1 r/s、2 r/s、3 r/s、2 r/s、1 r/s、0 r/s的轉速下運行30 s。通過轉速測量系統的上位機軟件采集兩路磁阻傳感器的原始數據。原始信號為兩路正交的正余弦信號。通過MATLAB分別編寫反正切測速算法、定時測角算法和定角測時算法解算轉速得出如圖10的結果。實驗結果表明3種方法都能正確解算出轉速值。

圖10 3種算法所得測速數據

轉速精度測量實驗中通過電機伺服系統上位機軟件控制電機以2 r/s的轉速勻速旋轉。通過轉速測量系統上位機采存隧道磁電阻傳感器原始數據,并通過MATLAB用3種測速方法解算電機轉速,得到3種方法的誤差曲線如圖11所示。反正切算法誤差0.025 r/s,占總轉速的1.25%;定角測時法誤差0.047 r/s,占總轉速的2.35%;定時測角法誤差0.134 r/s,占總轉速的6.7%。實驗結果表明反正切算法精度高于定角測時法高于定時測角法。

圖11 3種算法誤差圖

4 結論

本文將最新的隧道磁阻效應應用于轉速測量系統中,在沒有誤差校正的情況下實現了0.19°的位置檢測精度,已經達到了市場上主流的2 000線旋轉編碼器工程應用精度。如果對本系統中的正余弦信號進行幅值誤差校正、相位誤差校正、正交誤差校正后,本方法的測量精度仍有大幅提升的潛力。此外依靠本文搭建的實驗系統,實驗對比了反正切算法、定時測角算法和定角測時算法3種算法,發現反正切算法精度最高,可達1.25%,更適合于隧道磁阻轉速測量系統。

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Method for Measuring the Rotation Speed of the Tunnel Based on the Tunneling Magnetoresistance Effect*

JIANG Xiaoyong1,2,3,LI Mengwei1,2,3*,ZHANG Xiaofeng2,3,ZHANG Jiashu3,BAO Xuxin1

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)3.Center for Microsystem Intergration North University of China,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of the problems of low precision,low temperature stability and narrow measurement range of traditional rotating speed test system,a high performance test system based on the effect of tunnel magnetic resistance(TMR)is proposed. In the case of no error correction,the accuracy of 0.19 degree position detection has been achieved. This method has reached the 2 000 line encoder accuracy in engineering applications. In this method,the magnetic ring is arranged on the shaft to be measured,and the magnetic field is detected by the tunnel magnetoresistive sensor with high resolution and high frequency response. The sine and cosine signals with the frequency change with the speed are obtained. In this paper,we use the method of the timing angle measurement method,the fixed angle time measurement method and the arc tangent methodto calculate the rotation speed. The results show that the arctangent algorithm has the highest detection accuracy of 1.25%,which is more suitable for the measurement system of the tunnel reluctance speed.

rotational speed measurement;TMR sensor;anyway cut;toroidal magnetic gate.

蔣孝勇(1992-),男,河南信陽人,中北大學電子測試技術國家級重點實驗室在讀研究生,主要從事慣性儀器儀表方面的研究,lmwnuc@163.com;

李孟委(1975-),男,通信作者,副教授,主要開展新原理MEMS慣性傳感器及導航研究,專注于MEMS陀螺研究,對新原理、新效應的微納米器件創新設計感興趣。

項目來源:總裝預研基金項目;國家自然基金項目(61571405)

2016-11-07 修改日期:2017-03-13

TH868

A

1004-1699(2017)05-0692-05

C:7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.010