CN201273819Y - 用于执行机构的霍尔电位器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于执行机构的霍尔电位器，包括穿过外壳的转轴，与转轴连动的磁钢，与磁钢对应的将磁通量转换为电压信号的霍尔元件，连接霍尔元件的执行反正切(ATAN)运算的信号处理电路。该信号处理电路为，顺序连接的模数转换器(A/D)、数字信号处理器(DSP)、数模转换器(D/A)或数字输出电路。霍尔元件为霍尔阵列，并与所述信号处理电路集成为一体的霍尔芯片。转轴伸出外壳的中部固定有与执行机构联动的齿轮。外壳包括与转轴滑动配合的空心铜螺柱，与铜螺柱固定连接的上盖，可以卡入上盖底部的底座。霍尔芯片焊结在一块安装在外壳内的电路板上，卡入底座中，定位在上盖与底座之间。其优点是：体积小、可靠性高、成本低。

Description

用于执行机构的霍尔电位器

技术领域

本实用新型属于测量器具领域，特别涉及一种用于执行机构的非接触式电位器。

背景技术

在自控系统中，尤其是在电动执行机构中，传统电位器在工作时，触点和电阻体直接接触，不断地滑动摩擦，电阻体很快就被磨损，使精度下降，寿命缩短。而非接触式电位器由于没有摩擦，稳定性和寿命都很好。

目前，非接触式电位器有光电式，霍尔式，电磁式、磁阻式，它们的精度、线性度、重复性等方面都有所不同，价格也有很大差别。而现在大多的霍尔式电位器，电路采用分立元件，体积大，可靠性不高。所以不能被广泛采用。

发明内容

本实用新型为解决现有技术中电动执行机构常用的传统电位器可靠性不好，而提供一种高可靠性的电位器。

本实用新型为解决所述技术问题而采用的技术方案是：用于执行机构的霍尔电位器，包括穿过外壳的转轴，与转轴连动的磁钢，与磁钢对应的将磁通量转换为电压信号的霍尔元件，连接霍尔元件的执行反正切(ATAN)运算的信号处理电路。该信号处理电路为，顺序连接的模数转换器(A/D)、数字信号处理器(DSP)、数模转换器(D/A)或数字输出电路。所述数字输出电路为内部集成电路接口(I2C)或串行外围设备接口(SPI)。所述霍尔元件为霍尔阵列，并与所述信号处理电路集成为一体的霍尔芯片。

所述转轴伸出外壳的中部固定有与执行机构联动的齿轮。所述外壳包括，与转轴滑动配合的空心铜螺柱，与铜螺柱固定连接的上盖，可以卡入上盖底部的底座。所述霍尔芯片焊结在一块安装在外壳内的电路板上，该电路板卡入底座中，定位在上盖与底座之间。

与现有技术相比较，本实用新型用于执行机构的霍尔电位器，大幅缩小了整体体积，使霍尔电位器的体积与传统电阻式电位器相当，能充分代替传统电位器；可靠性得到大幅度提高，能耐恶劣环境；再加上独特的结构设计，组装简便，成本低，应用前景非常广泛。

附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1是用于执行机构的霍尔电位器原理的逻辑方框图。

图2是用于执行机构的霍尔电位器内部结构的剖面图。

图3是用于执行机构的霍尔电位器，当磁钢在霍尔芯片上旋转时，磁通分量Bx和By产生的两个正交的正弦波。

图4是用于执行机构的霍尔电位器，通过霍尔阵列，将采集到的两个水平磁通量(Bx，By)等比例地转换为电压信号。

图5是用于执行机构的霍尔电位器，实施例一的电路原理图。

图6是用于执行机构的霍尔电位器，实施例二的电路原理图。

图7是用于执行机构的霍尔电位器，实施例二的电路板10的接线图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型用于执行机构的霍尔电位器的实施例。

图1是原理的逻辑方框图；图2是内部结构的剖面图。

如图中所示，霍尔电位器通过转轴6上装配的齿轮2与执行机构中指示轴的齿轮啮合传动。当执行机构中行程位置变化时，指示轴产生旋转，经过齿轮传动使霍尔电位器的转轴6旋转，而转轴6上的磁钢7同时转动，磁场将发生变化，与磁钢7对应的不接触的霍尔元件感应到的磁通量也会产生相应的变化。霍尔元件将检测到的磁通量转换为电压信号，经过模数转换器(A/D)转换成数字量，经数字信号处理器(DSP)进行反正切(ATAN)处理，得出磁钢7相应的角度位置信息，再通过数模转换器(D/A)输出对应的电压信号，发送给执行机构；或者通过数字输出电路，如内部集成电路接口(I2C)或串行外围设备接口(SPI)输出对应信息，发送给执行机构。

霍尔电位器的整体外形类似传统的电阻式电位器，外壳包括与转轴6滑动配合的空心铜螺柱5，与铜螺柱5固定连接的上盖9，可以卡入上盖9底部的底座11。可以利用铜螺柱5上的垫圈13和螺母14来安装固定霍尔电位器。转轴6伸出外壳的中部，用弹性卡圈1将齿轮2紧固在转轴6上。

与转轴6连动的磁钢7，镶嵌在转轴6底部的阶梯沉孔中，为了保证易于寻找中心，选择圆形。磁钢7选用磁性强的材料，烧结钕铁錋。针对转轴6旋转时，场强要发生变化，采用径向充磁的双极磁钢。

转轴6中部的弹性档圈3恰好将转轴6卡在空心铜螺柱5内，弹性档圈3的下方有“O”型密封圈4，防止灰尘颗粒进入转轴6与铜螺柱5之间，增加磨损。

由于磁钢7具有较强的磁性，所以要求霍尔电位器的结构件为非导磁体。故转轴6选用低摩擦系数且耐高温的工程塑料赛钢(POM)机械加工而成；上盖9和底座11两部分采用赛钢(POM)注塑成型；铜螺柱5对转轴6起轴承的作用，转轴6与铜螺柱5之间的相对转动，为非金属与金属间的相对滑动，与传统的金属转轴与铜套的滑动比较，有更小的摩擦系数，使用寿命高。

安装在外壳内，与磁钢7对应的霍尔元件采用霍尔阵列，并且与信号处理电路集成为一体的霍尔芯片8。内置的霍尔元件分布在以芯片中心为参考圆心的圆周上。

霍尔芯片8焊结在一块安装在壳内的电路板10上，考虑到电路板10的易装配性和易拆卸性，并保证霍尔芯片8与磁钢7之间的距离固定，霍尔电位器采用的是弹性塑料卡扣式结构固定电路板10，同样采用卡扣式结构固定底座11和上盖9，并在上盖9内设计限位边，避免底座11和电路板10在内部串动。该电路板10卡入底座11中，定位在上盖9与底座11之间。电路板10底部的接插件12为霍尔芯片8提供电源和接地，并为其输出信号提供接口。

用于执行机构的霍尔电位器，其原理是采用霍尔效应，由于径向磁钢在不同角度，其磁场会成比例变化，通过测量各方向的磁通量，就能得出磁钢的位置。对于水平旋转应用，只需测量水平两方向的磁通量。如图3所示，当磁钢7在霍尔芯片8上旋转时，磁通分量Bx和By将产生两个正交的正弦波，Bx正比于余弦cosine(α)，By正比于正弦sine(α)。通过霍尔阵列，可以将测量到的两个水平磁通量(Bx，By)等比例转换为电压信号，如图4所示。

原始霍尔信号Vx和Vy分别与Bx和By成正比。信号放大后，通过模数转换器(A/D)进行采集，然后在数字信号处理器(DSP)执行以下反正切(ATAN)运算，得到角度信息：

$\mathrm{\α}=\mathrm{ATAN}\left(\frac{V_Y}{V_X}\right)$                  方程1

其中：

Vx＝X方向的原始霍尔信号

Vy＝Y方向的原始霍尔信号

α＝角度

方程1突出了的两个关键特性：由于是取Vy和Vx的比值，因此可采用差分测量技术，信号放大后两路霍尔信号分开采集，不会影响输出角度的精度；同时能对空气间隙变化、热效应影响等而引起的磁场变化进行自动补偿(同时影响两路霍尔信号，取Vy和Vx的比值时能消除)。

霍尔电位器中的霍尔芯片8，选用了melexis公司的芯片MLX90316，该芯片集成了霍尔元件阵列以及AD转换和DSP逻辑部件，能达到12位分辨率输出。它能实现360°无接触式、高分辨率角度位置编码，带磁场强度监测和断电监测等故障监测模式，用户可编程等，十分适合苛刻条件下使用。系统坚固耐用，能够耐受磁铁位置偏离，气隙变化，温度变化和外部磁场，并且无需校准。

图5是实施例一的电路原理图。图6是实施例二的电路原理图。

执行机构通过连接线与霍尔电位器的接插件12(JP103)相连，接插件12的5个管脚电源线(VCC)、选通线(/SS)、时钟线(SCLK)、数据线(MOSI或OUT1)、地线(VSS)，分别与霍尔芯片8的对应管脚连接，由电源线(VCC)和地线(VSS)提供5V电源给霍尔芯片8。为了保证电磁兼容性(EMC)，在芯片的电源管脚(VCC)、调整脚(Vdig)、选通脚(/SS)、数据脚(/MOSI)与地(VSS)之间都连一个0.1uF的小电容。

霍尔电位器的电路兼容了两种不同输出的霍尔芯片90316，一种是数字信号输出，如图5所示；一种是模拟信号输出AO，如图6所示。由于两种霍尔芯片的管脚兼容，可针对选择不同执行机构，只需更换芯片即可实现两种输出的切换，无需更改电路，使用方便。当输出为数字量时，霍尔芯片8将采集处理的位置信息，通过选通线(/SS)、时钟线(SCLK)、数据线(MOSI)，发送数字信号给执行机构；当输出为模拟量时，则通过数据线(OUT1)发送电压信号(0-360°对应0-5V)给执行机构。

图7是实施例二的电路板10的接线图。电路板10的接线相对简单，霍尔芯片MLX90316的8个引脚分别焊接在电路板上，其中第2、3、4、6、8引脚分别接地，第1引脚接电源且通过一个100nF的电容接地，第7引脚通过一个100nF的电容接地，第5引脚为电位器的输出端，也通过一个100nF的电容接地。

另外，由于MLX90316集成了霍尔传感器的所有电路，无需大量外部元件，只需几个电容就可使用，我们开发出体积大小类似传统电位器的用于执行机构的霍尔电位器。通过齿轮传动接受执行机构电路的命令，通过接插件和连接线将霍尔电位器的信号发送到执行机构的电路。

本霍尔电位器是360度，多圈转动式的，无零位，如需要调整位置，只需旋转电位器的转轴6即可。

Claims (10)

1.用于执行机构的霍尔电位器，其特征在于：电位器包括穿过外壳的转轴(6)，与转轴连动的磁钢(7)，与磁钢(7)对应的将磁通量转换为电压信号的霍尔元件，连接霍尔元件的执行反正切运算的信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的霍尔电位器，其特征在于：所述信号处理电路为，顺序连接的模数转换器、数字信号处理器、数模转换器或数字输出电路。

3.根据权利要求2所述的霍尔电位器，其特征在于：所述霍尔元件为霍尔阵列。

4.根据权利要求3所述的霍尔电位器，其特征在于：所述数字输出电路为内部集成电路接口或串行外围设备接口。

5.根据权利要求3所述的霍尔电位器，其特征在于：所述霍尔元件与所述信号处理电路集成为一体的霍尔芯片(8)，内置的霍尔元件分布在以芯片中心为参考圆心的圆周上。

6.根据权利要求2所述的霍尔电位器，其特征在于：所述与转轴(6)连动的磁钢(7)为镶嵌在转轴(6)的底槽中径向充磁的圆形磁钢。

7.根据权利要求2所述的霍尔电位器，其特征在于：所述转轴(6)伸出外壳的中部固定有与执行机构联动的齿轮(2)。

8.根据权利要求5所述的霍尔电位器，其特征在于：所述外壳包括，与转轴(6)滑动配合的空心铜螺柱(5)，与铜螺柱(5)固定连接的上盖(9)，可以卡入上盖(9)底部的底座(11)。

9.根据权利要求8所述的霍尔电位器，其特征在于：所述霍尔芯片(8)焊结在一块安装在外壳内的电路板(10)上，该电路板(10)卡入底座(11)中，定位在上盖(9)与底座(11)之间。

10.根据权利要求9所述的霍尔电位器，其特征在于：所述电路板(10)底部的接插件(12)为霍尔芯片(8)提供电源和输出信号接口。

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