CN112747664B - 一种线性磁阻位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性磁阻位置传感器，包括：磁阻元件阵列、ADC模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路和磁板；其中，所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应不同位置的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场。

Description

一种线性磁阻位置传感器

技术领域

本发明涉及电子技术，尤其涉及一种线性磁阻位置传感器。

背景技术

现有位置线性位置传感器技术主要采用磁栅尺，它是由磁条配合读数头的方式组成，需要把读数头安装在移动机构上读取位置数据。

磁栅尺是利用与录音技术相似的方法，通过录磁头在磁性尺(或盘)上录制出间隔严格相等的磁波这一过程称为录磁。已录制好磁波的磁性尺称为磁栅尺。磁栅尺上相邻栅波的间隔距离称为磁栅的波长，波长就是磁栅尺的长度计量单位，通过采集磁场波的个数及波长来定位。

现有的磁栅尺的读数头安装在运动机构上，读数头的数据线需要随着运动机构运动，当需要速度比较快、或需要远距离运行时，这个数据线容易折断，寿命比较短；如果在需要做环形运动时候，这线会缠绕起来导致无法运行。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种线性磁阻位置传感器。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种线性磁阻位置传感器，所述线性磁阻位置传感器, 包括：磁阻元件阵列、ADC模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路和磁板；其中，

所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应不同位置的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；

所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；

所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；

所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；

所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场。

上述方案中，所述磁阻元件阵列包括至少四个磁阻传感元件。

上述方案中，所述磁阻元件阵列包括：至少四个磁阻芯片；

在每个所述磁阻芯片的上方放置一块磁铁以提供平行于相应磁阻芯片表面方向的工作磁场；

所述磁阻芯片的双轴输出与磁场角度成正弦和余弦关系的电压信号。

上述方案中，所述磁阻芯片采用两个推挽式惠斯通电桥结构；

每个所述推挽式惠斯通电桥包括四个的磁阻传感元件。

上述方案中，所述磁阻元件阵列包括的磁阻传感元件的数量为三十二个。

上述方案中，所述ADC模数转换电路，包括八个转换器；

每个所述转换器，用于将相应的每个推挽式惠斯通电桥采集的模拟信号转换为磁阻数字信号。

上述方案中，所述FPGA数值处理电路，包括四个FPGA；

每个所述FPGA，用于分析处理每个所述转换器发送的表征阻值变化的磁阻数字信号。

上述方案中，所述FPGA，具体用于执行以下处理：

获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的电压数据；

通过移动磁板找到每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，根据每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，计算正弦波形曲线的偏移量；

根据所述偏移量，求出正弦信号和余弦信号；

基于所述正弦信号和所述余弦信号计算得到正切信号；

根据所述正切信号，运用反正切原理计算得到角度信号；

根据所述角度信号和比例关系，得到位置结果；所述比例关系至少包括各磁阻芯片在磁板对应的不同磁力线上、不同角度所对应的相对于磁板的位置关系；所述位置结果表征相应磁阻元件与磁板的相对位置；

其中，ADC模数转换电路，至少包括：ADC模数转换芯片；ADC模数转换芯片，用于采集磁阻芯片数据。

上述方案中，所述FPGA，还用在获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据之前，接收其他设备发送的标定指令，根据所述标定指令进入标定模式；

所述标定模式表征可以获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据。

上述方案中，所述串口通信电路，用于将处理结果发送给其他设备；所述处理结果包括：磁铁的位置信号；所述磁铁的位置信号，包括数据：线性磁阻位置传感器的出厂流水编码、磁阻芯片标识、位置结果。

本发明实施例所提供的线性磁阻位置传感器，包括：磁阻元件阵列、ADC 模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路和磁板；其中，所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应磁铁在不同位置时磁阻元件的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场。

如此，本发明实施例，提供一种不带数据线的位置反馈方式，提高了直线电机移动机构的移动速度，增加了直线电机寿命，避免了环形运动时因线体缠绕导致无法运行的问题。

附图说明

图1为一种磁栅尺的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的线性磁阻位置传感器的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种具体地线性磁阻位置传感器的示意图；

图4为本发明实施例提供的磁铁相对于磁阻尺运动图；

图5为本发明实施例提供的一种线性磁阻位置传感器示意图。

图6为本发明实施例提供的RS485串口通讯电路的示意图；

图7为本发明实施例提供的FPGA数值处理电路的示意图；

图8为本发明实施例提供的磁场与芯片夹角示意图；

图9为本发明实施例提供的磁阻元件输出电压波形的示意图；

图10为本发明实施例提供的惠斯登电桥组成的示意图；

附图标记：1-磁珊尺读数头的通讯线；2-磁珊尺读数头；3-贴在直线电机边上的磁珊尺条。

具体实施方式

在本发明各实施例中，线性磁阻位置传感器，包括：磁阻元件阵列、ADC 模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路、磁板；其中，所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应不同位置的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场。

下面结合实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1为一种磁栅尺的结构示意图；如图1所示，

1表示磁珊尺读数头的通讯线；

2表示磁珊尺读数头；

3表示贴在直线电机边上的磁珊尺条。

图2为本发明实施例提供的线性磁阻位置传感器的示意图；如图2所示，

本发明实施例提供的一种线性磁阻位置传感器，包括：

包括：磁阻元件阵列、ADC模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路、磁板；其中，

所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应不同位置的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；

所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；

所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；

所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；

所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场。

在一些实施例中，所述磁阻元件阵列包括至少四个磁阻传感元件。

所述磁阻元件阵列包括：至少四个磁阻芯片；即磁阻传感元件采用磁阻芯片；

在每个所述磁阻芯片的上方放置一块所述磁板以提供平行于相应磁阻芯片表面方向的工作磁场；所述磁阻芯片的双轴输出与磁场角度成正弦和余弦关系的电压信号。

所述磁阻芯片采用两个独特的推挽式惠斯通电桥结构设计；每个所述推挽式惠斯通电桥包括四个的磁阻传感元件。

图3为本发明实施例提供的一种具体地线性磁阻位置传感器的示意图；如图3所示，

所述磁阻元件阵列包括32个磁阻元件，32个磁阻元件按照编号顺序从大到小或从小到大，并间隔固定的位置安装，32个磁阻元件按照一定位置安装(具体根据实际应用的需要，例如，按照一定等间距延直线安装)，在磁阻芯片上方放置一块多对极磁铁组成的磁板以提供平行于磁阻芯片表面方向的工作磁场，磁阻芯片的双轴输出与磁场角度成正弦和余弦关系的电压信号。

每个磁阻芯片采用两个独特的推挽式惠斯通电桥结构设计，每个惠斯通电桥包含四个高灵敏度的磁阻元件，使得其输出信号的峰峰值可达工作电压的0.75％。独特的磁阻惠斯通电桥结构有效地补偿了传感器的温度漂移。

在一些实施例中，所述磁阻元件阵列包括的磁阻元件的数量为三十二个；每个磁阻元件里面有两组推挽式惠斯通电桥。

需要说明的是，磁阻元件阵列中包括的磁阻元件的数量可以采用其他数值；

例如，所述磁阻元件阵列包括的磁阻元件的数量还可以8个、16个、或者 64个等8组的整数倍。

关于磁阻元件的数量的取值，这个取决于磁铁极对数和总的长度，也就是说，总长度为极对数和极距的整数倍都是可以的，根据需要的总长度来选择所要选择的磁阻元件个数。

相应的，所述ADC模数转换电路，包括八个转换器；每个所述转换器，用于将相应的每个推挽式惠斯通电桥采集的模拟信号转换为数字信号；

所述FPGA数值处理电路，包括四个FPGA；

每个所述FPGA，用于分析处理每个所述转换器发送的表征阻值变化的数字信号。

具体地，所述FPGA，具体用于执行以下处理：

获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的电压数据；

通过移动磁铁找到每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，根据每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，计算正弦波形曲线的中值、作为偏移量；

根据所述偏移量，求出正弦信号和余弦信号；

基于所述正弦信号和所述余弦信号计算得到正切信号；

根据所述正切信号，运用反正切原理计算得到角度信号；

根据所述角度信号和比例关系，得到位置结果；所述比例关系至少包括各磁阻芯片在磁板对应的不同磁力线上、不同角度所对应的相对于磁板的位置关系；所述位置结果表征相应磁阻元件与磁板的相对位置；

其中，ADC模数转换电路，至少包括：ADC模数转换芯片；ADC模数转换芯片，用于采集磁阻芯片数据。

进一步地，所述FPGA，还用于在获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据之前，接收其他设备发送的标定指令，根据所述标定指令进入标定模式；

所述标定模式表征可以获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据，并且通过移动磁板找到每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，根据每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，计算正弦波形曲线的偏移量。

具体来说，ADC数模转换电路，采用8组14bit的逐次逼近的模拟数字转换器(ADC)，最大数据速率每通道600kps，每个ADC模数转换电路将采集到的8 路模拟信号转换为数字信号，再通过并行总线传送到后级电路处理，高速的采样和转换速度为磁阻尺的高精度反馈提供了保障。

FPGA数值处理电路，采用8K逻辑元素的高速可编程逻辑器件实现数值处理功能，这部分电路通过编程之后，实现对于前级采样到的磁阻数字信号做分析处理。

这里，再对磁阻数字信号做分析处理进行说明。

对磁阻数字信号做分析处理，包括：

取得磁阻芯片的数字信号(即磁阻芯片的电压数据)的最大值、最小值；

根据最大值、最小值，计算正弦波形曲线的偏移量；以便基于磁阻数字信号的偏移量做归一化处理，求出正弦信号和余弦信号；

基于正弦信号和余弦信号计算得到正切信号，结合正切信号根据反正切原理计算得到角度信号；

根据角度信号与激光干涉仪在标定时实际位置与角度的线性关系，求出比例关系，并记录在电路中。

所述比例关系至少包括针对各磁阻芯片而言，各磁阻芯片在磁板对应的不同磁力线上、不同角度所对应的相对于磁板的位置关系。

进一步地，以上分析处理涉及到两个场景，一个是测试阶段，也即在激光干涉仪测试模式下，求取比例关系；

另一个是应用阶段，也就是实际测量阶段，也即在激光干涉仪在标定模式下，利用比例关系，测得磁阻芯片相对于磁板的位置。

也即是说，在得到比例关系后，后续可以根据采样的磁阻芯片的数字信号，通过FPGA计算出每一个磁阻元件与磁板的相对位置数据，通过判断每个磁阻芯片的正弦和余弦数据是否符合三角函数的平方关系(即sin² A+cos²A＝1)来判断磁铁是否正好在磁阻芯片范围内。

需要说明的是，采用以上方法的原理是：磁板的磁力线与磁阻芯片的夹角不同，阻值相应不同，输出电压也就不同，也即磁阻芯片的数字信号也就不同；因此，可以用上述方法检测位置。

以及，关于输出电压，由于采用两路的推挽式惠斯通电桥，所以输出两路电压，其中，一路电压与角度呈正弦关系的数值，另一路电压为与角度呈余弦关系的数值，也即可以得到上述正弦信号和预先信号；

从而根据正弦信号和余弦信号可以得到角度信号；根据角度信号和上述比例关系，得到磁阻元件与磁板的相对位置。

在一实施例中，所述串口通信电路，用于将处理结果发送给其他设备；

所述处理结果包括：磁铁的位置信号；

所述磁铁的位置信号，包括以下数据：线性磁阻位置传感器的出厂流水编码、磁阻芯片标识、位置结果。

以下提供相关技术的说明，用于进一步对本发明实施例提供的线性磁阻位置传感器进行说明。

图4为本发明实施例提供的磁铁相对于磁阻尺运动图；如图4所示，

磁板由4对N级S级的单个磁铁组成(4对磁铁安装在一起组成一个磁板)，单个磁铁中心距为距离12mm。

图5为本发明实施例提供的一种线性磁阻位置传感器示意图，其中N为磁铁的北极，S为磁铁的南极，P为磁铁的磁极中心距，D为磁铁到磁阻元件的距离。

磁极中心距离需要与磁阻芯片的中心距离相等，且磁板与磁阻元件距离不能大于磁极的中心距离。

图6为本发明实施例提供的RS485串口通讯电路的示意图；如图6所示，RS485串口通讯电路，包含：

485串口接口芯片，串口传输滤波驱动电路等。

图7为本发明实施例提供的FPGA数值处理电路的示意图；如图7所示，

FPGA数值处理电路，包含：

FPGA芯片各个BANK定义，JTAG接口电路等。

图8为本发明实施例提供的磁场与芯片夹角示意图；如图8所示，

图8用于说明磁阻元件(即磁阻芯片)在不通磁场角度时候，磁场与芯片夹角示意图，以及说明单组NS磁铁磁场的角度分布规律，后面的数据处理完全根据角度分布规律，在-90度和90度之间，角度与位置呈现比较好的线性特点，这个是数据计算的基础。

图9为本发明实施例提供的磁阻元件输出电压波形的示意图；如图9所示，

图9说明了双路惠斯通电桥输出的2路电压波形具有的特征，即相位相差 90度，有了正弦信号和余弦信号；

从而，在根据正切＝正弦/余弦公式求解正切数据时候，可以有效抑制单独的正弦信号或者余弦信号在电路系统中存在的增益误差，以获得准确的正切数据来求解磁场角度。

图10为本发明实施例提供的双惠斯登电桥组成的示意图。如图10所示，

图10中标准AMR传感器由两个惠斯登电桥组成，互相之间的相对角度为 45°。

关于惠斯通电桥再进一步说明.

惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的电路，由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂。

惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。

采用具有双路电桥且按照90度相位差的电桥，根据磁阻元件在不同磁场角度时阻值不同的原理，可以输出不通过磁场角度时正弦电压信号和余弦电压信号，后面结果数据计算处理后得到磁场角度。

本发明实施例提供的线性磁阻位置传感器，采用磁阻芯片线性阵列的方式采集数据，与磁栅尺只有一个点采集数据的方式完全不一样。

这里，磁阻元件采用的是磁阻元件的磁阻效应，指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。与霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的，在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加，或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。

基于上述原理，本发明实施例中线性磁阻位置传感器可以通过采集空间不同位置磁场角度变化导致的阻值变化，来获得运动机构的位置信息。

本发明实施例提供传感器，相比较与现有技术，无需设置数据线，进而避免了数据线随着移动机构缠绕带来的问题，直接利用电机磁铁的磁极作为传感器的磁场激励源，不需要在直线电机动子上安装其他任何附件，适用于更多的应用场景。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。

应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。

因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述线性磁阻位置传感器,包括：磁阻元件阵列、ADC模数转换电路、FPGA数值处理电路、串口通信电路、磁板；其中，

所述磁阻元件阵列，用于采集空间中反应不同位置的阻值变化的模拟信号；不同位置的磁场角度变化相应导致阻值变化；

所述ADC模数转换电路，用于将所述磁阻元件阵列采集的表征阻值变化的模拟信号转换为磁阻数字信号；

所述FPGA数值处理电路，用于对采集的所述磁阻数字信号进行分析处理，得到处理结果；

所述串口通信电路，用于输出所述处理结果；

所述磁板，由多对磁铁排列安装组成，作为所述线性磁阻位置传感器所检测的激励磁场；

所述磁阻元件阵列包括：至少四个磁阻芯片；在所述磁阻芯片的上方放置一块磁板以提供平行于相应磁阻芯片表面方向的工作磁场；所述磁阻芯片的双轴输出与磁场角度成正弦和余弦关系的电压信号；

所述FPGA，具体用于执行以下处理：获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的电压数据；通过移动磁板找到每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，根据每个所述磁阻芯片的电压数据的最大值和最小值，计算正弦波形曲线的偏移量；根据所述偏移量，求出正弦信号和余弦信号；基于所述正弦信号和所述余弦信号计算得到正切信号；根据所述正切信号，运用反正切原理计算得到角度信号；根据所述角度信号和比例关系，得到位置结果；所述比例关系至少包括各磁阻芯片在磁板对应的不同磁力线上、不同角度所对应的相对于磁板的位置关系；所述位置结果表征相应磁阻元件与磁板的相对位置；其中，ADC模数转换电路，至少包括：ADC模数转换芯片；ADC模数转换芯片，用于采集磁阻芯片数据。

2.根据权利要求1所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述磁阻元件阵列包括至少四个磁阻传感元件。

3.根据权利要求1所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述磁阻芯片采用两个推挽式惠斯通电桥结构。

4.根据权利要求3所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述磁阻元件阵列包括的磁阻传感元件的数量为三十二个。

5.根据权利要求4所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述ADC模数转换电路，包括八个转换器；

每个所述转换器，用于将相应的每个推挽式惠斯通电桥采集的模拟信号转换为磁阻数字信号。

6.根据权利要求5所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述FPGA数值处理电路，包括四个FPGA；

每个所述FPGA，用于分析处理每个所述转换器发送的表征阻值变化的磁阻数字信号。

7.根据权利要求6所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述FPGA，还用于在获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据之前，接收其他设备发送的标定指令，根据所述标定指令进入标定模式；

所述标定模式表征可以获取ADC模数转换电路采集的磁阻芯片的数据。

8.根据权利要求7所述的线性磁阻位置传感器，其特征在于，所述串口通信电路，用于将处理结果发送给其他设备；所述处理结果包括：磁铁的位置信号；

所述磁铁的位置信号，包括以下数据：线性磁阻位置传感器的出厂流水编码、磁阻芯片标识、位置结果。

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