利用双轴霍尔元件进行角位置测量

《利用双轴霍尔元件进行角位置测量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、利用双轴霍尔元件进行角位置测量摘要：一种带有360°感应能力的独特IC元件扩展了霍尔效应技术在角度位置产品中的应用。关键词：磁盘磁通量铁磁PWM磁体   2轴Hall传感器结合了一个标准的CMOS过程和平面磁集中器。在一相非常小的铁磁盘集中器边缘的硅模型上放置了四套Hall元件，此集中器由一个和芯片表面相连的高渗透性及低强制磁场的铁磁层组成。该流量集中器把平行于装置表面的场元件转换成与元件垂直的元件，在其制造过程中允许使用传统的CMOSHall技术。磁场的垂直元件在磁盘边缘（Hall元件位于此）附近时最强。流量集中器不需放大装置噪音即可提供场放大。      霍尔元件位

2、于磁盘的四个象限以提供X、Y输出（参看图1）。每轴只需一个霍尔元件，但通过测量每个象限位置的两个装置的差分电压可实现额外增益及减少偏差。X1、X2和Y1、Y2霍尔元件间的差分输出，包括偏差、放大、偏移消除以及温度稳定功能，可通过集成电子电路处理。   在场强低至20mT(200G)时可得到2.5V±2.0V的满量程线性输出。Vx和Vy输出可平衡至存在极小偏差。因为其单模结构特性，两种输出不仅匹配而且有卓越的跟踪性能。这种技术固有的几种独特性能使其特别适合用于精确感应，如非线性<0.1%且磁滞现象<0.03%的现场。   因为仅有一个感应轴，故传统的、基于单元件线性霍尔芯

3、片的、非接触角度位置传感器存在理论上180°的最大角限制。而这种两轴线性霍尔芯片可检测360°的旋转且可提供此范围内的完全位置信息。如图2所示，一个横过其直径并被磁化的磁体附于一轴，且在IC上方围绕磁体与IC中心线旋转。轴旋转时，芯片可感应到磁场的磁向量并产生分别与正弦、余弦信号成比例的Vx和Vy信号。如（1）方程所示，一个代表全角度的电压可通过采用一个小型8位微控制器或同等的处理器，计算Vx和Vy的角度正切得到（见图3）   Vx=Sx×B×cosVx=Sx×B×sin(1)   IC的增益灵敏度Sx和Sy紧密相配并与温度对应。因此我们可假定Sx和Sy相等：   如果

4、Sx=Sy=S,则有Vy/Vx=S×B×sin/S×B×cos=sin/cos=tan(2)   因此，=arctan(Vy/Vx)=Vout(3)   每180°角正切函数重复且在90°和180°、Vx=0时变成无穷大。因此这可通过如下方程计算：(Vx>0,Vy>0),=arctan(Vy/Vx)(4)(Vx=0,Vy>0),=90°(5)(Vx<0),=180°+arctan(Vy/Vx)(6)(Vx=0,Vy<0),=270°(7)(Vx>0,Vy<0),=360°+arctan(Vy/Vx)(8)   通过Vy除Vx，则由S或B变化引起的潜在可变性能被抵消。因此

5、其模拟输出电压代表的角度独立于磁体力、温度效应和IC的增益敏感度。输出成为磁场矢量量的一个函数，并将一直代表磁体在整个360°范围内的绝对机械位置。图4显示了一个典型的360°角度误差，能量可被转移并重新应用，而不会损失磁体的绝对位置。   磁体产生的DC场能通过任何非铁磁的材料，如铝、300系列不锈钢和塑料。因此两轴IC和相关电子元件可安装在一个绝对密封的金属外壳里，从而使其与旋转器件进行机械隔离。这种结构的另一种优势是它可给旋转机构施加零“拖动”。例如，如果安装一个磁体在轴内并将一个采用该技术的传感器置于外部，则传感器可测量密封腔里的阀位置（参看图5）。   虽然结

6、合微控制器计算角度可能被认为是一个缺点，但因有微控器和IC的360°信息，其潜在传感器解决方案众多并且其产品功能可以得到极大地扩展。任何定制的输出曲线都可被编程，输出可以是模拟的、PWM、PPM或连续数字信号。磁体到传感器的机械调节可以仅通过简单设定360°范围内的启动点来省去。   单轴操纵杆.双轴线性霍尔传感器为非接触性单轴操纵杆提供了一个简单的解决方案。图6展示了一种结构，在此结构中磁体被安装在操纵杆把手的轴里，IC被安装在附于装置架构的PCB板上。通过在把手两边的任一边安装一个传感器，就可形成了一个双重冗余的操纵杆。其IC位于磁体轴的中心线上。旋转角度可通过计算

7、Vx的Vy角度正切即可得到，与前面提到的360°旋转应用相似。由于有微控制器和传感器的360°位置信息，故产品可形成各种输出曲线，这样即可取消感应装置机械和旋转把手的调节。Vout=arctan(Vy/Vx)(9)   双轴操纵杆大部分双轴操练杆可通过安装在万向轴系统的两个电位计及从传感器提取X与Y向的相关数据来测量它们的位置。通过安装一个双轴IC在球形旋转的中央并在把手里安装一个磁体，即可构造一个简单、双轴的非接触的操纵杆。（如图7所示）。   IC的X、Y输出与磁场向量成正比。此向量外形是X、Y平面磁场向量的正弦波，当操纵杆位于其中心