无人机用磁感应式位移传感器设计

孙 宾,应 浩

(南京模拟技术研究所,江苏 南京 210016)

0 引言

直线位移传感器是无人机测量舵机丝杆位置信息的一个重要传感装置[1]。作为舵系统的位置环,其主要用来实时反映舵机丝杆的当前位置[2]。目前,舵系统的丝杆位置反馈系统装置主要有接触式直线电位器[3]、线性可变差动变压器(linear variable differential transformer,LVDT)磁编码器等。其中:接触式直线电位器的主要缺点是电阻体使用寿命短,长时间使用后容易出现“非接触”或“跳点”现象;LVDT 测量精确度高,但需要专门的激磁解调电路,且结构件安装复杂、价格高、质量大[4-5]。而采用基于非接触式磁感应器件的位移传感器电路设计简单、测量精度高,能有效提升位移传感器的使用寿命[6-8]。

1 磁感应位移传感器原理分析

磁感应位移传感器主要由磁感应芯片HMC1512组成的外围电路和磁钢构成。磁感应芯片内部是由坡莫合金的含铁材料组成一个惠斯顿电桥。磁感应芯片内部电路结构如图1 所示。当磁钢产生的磁场穿过该芯片,将会使其输出一个差分电压值;该信号经放大、滤波后送主控制器采集,通过相应算法解算出此时磁钢相对于磁感应芯片的角度,根据三角关系即可解算出磁钢的位移值。

图1 磁感应芯片内部电路结构图Fig.1 Internal circuit structure of magnetic induction chip

单个芯片工作示意图如图2 所示。

图2 单个芯片工作示意图Fig.2 Schematic diagram of single chip

当图2 中的磁钢运行在A区域时,随着磁钢由远及近地靠近磁感应芯片,磁感应芯片电压输出波形如图3 所示。

图3 磁感应芯片电压输出波形图Fig.3 Voltage output waveform of magnetic induction chip

磁感应芯片输出电压值将逐渐从图3 中的a点向b点接近,但此时磁感应芯片工作在其非线性区。随着磁钢进入B区后,磁感应芯片的差分电压输出值将由b点向c点逐渐接近。当磁钢运行到芯片正上方时,差分电压值为0。bc段为磁感应芯片的线性工作区,角度范围为±45°。当磁钢进入C区后,随着磁钢逐渐远离芯片,磁感应芯片的差分电压输出值将由c点逐渐向d点靠近。此时,磁感应芯片也工作在非线性工作区。因此,该磁感应芯片可实现线性测量区域的范围为-D～+D。

2 磁感应位移传感器的原理设计

根据单个磁感应芯片的工作原理,利用其线性工作区域,通过并排放置多个磁感应芯片,可实现长距离线性位移的测量。为实现100 mm 的线性位移,本设计中将10 个间隔为10 mm 的磁感应芯片并排放置在与磁钢平行的一条直线上。将磁钢固定在舵机丝杆上,当舵机丝杆动作时,带动磁钢运动。此时,磁感应位移传感器中的主控制器将采集到的10 路磁感应芯片的数据进行相关算法计算,得到当前磁钢位置,并将该位置值通过CAN 总线发送出去。

从系统的可实现性考虑,遵行简便原则,磁感应位移传感器的硬件电路包括以下几个方面:最小系统电路、位置采集信号调理电路、通信电路等。磁感应位移传感器原理如图4 所示。

图4 磁感应位移传感器原理框图Fig.4 Principle block diagram of magnetic induction displacement sensor

由于每个位置采集和调理电路对应1 个磁感应芯片,而本系统中有10 个磁感应芯片,因此本系统中将有10 路位置采集和调理电路。

2.1 最小系统电路

最小系统电路是保证整个系统硬件稳定运行的基础,包括主控制器、电源电路、复位电路和程序下载接口等。

主控制器选用的是 Cortex-M3 系列的STM32F103C8T7。该芯片具有体积小、价格便宜、使用方便的特点,同时具备16 通道的12 位ADC,支持CAN总线,SPI 总线等,系统总线时钟达72 MHz,可以很快实现大量数据的采集、处理功能。

2.2 位置采集和调理电路

HMC1512 芯片输出电压为±60 mV。为便于单片机电压信号采集,位置采集与调理电路要对该芯片进行电压偏置与信号放大。位置采集和调理电路如图5 所示。

图5 位置采集和调理电路Fig.5 Position acquisition and conditioning circuit

式中:R为磁感应芯片内部B 路H 桥上、下桥臂电阻和;Vout+、Vout-分别为磁感应芯片A路H桥的输出信号。

2.3 通信电路

通信电路用于实现本系统与其他系统之间的信息交换功能。考虑到通信电路的可移植性,以及通信距离、复杂环境等对通信信号的品质影响等因素,采用具有高抗干扰性且具备总线功能的CAN 通信方式。

3 磁感应器软件设计

软件部分是检测电路的算法实现,也是位移检测的关键。相对于较简单的硬件电路而言,系统软件部分稍微复杂一些。其中,位置算法是系统软件部分的重点也是难点。目前,可以实现的位置检测的算法有以下两种。

①用更精密仪器标定。在磁感应位移传感器正常工作之前,可以用0.005 mm 或者更小步进距离的步进电机带动磁钢运动,由主控制器实时记录当前磁感应式位移传感器的位移值,并将这些位移值与所有磁阻传感器的输出A/D 值存储在单片机Flash 的某一区间。当磁感应位移传感器正常使用时,将当前采集到的几路A/D 值与存储在Flash 中的A/D 值进行匹配,即通过查表法实现磁钢位移的测量。

②纯粹利用算法解算。根据采集到的各个A/D值,推算出当前磁钢的位置,即磁钢位于哪两个磁感应芯片之间;再根据当前两个A/D 值,计算出当前的磁钢位移值。

第一种方法相比于第二种方法较易实现,但是其Flash 中存储的数据量较大,每增加一个磁感应芯片,Flash 中的数据量将增加一倍。如果发生一个磁感应芯片损坏情况,也将影响Flash 中位移值的输出。本设计将采用第二种方法来实现磁钢位移的测量。

系统软件流程如图6 所示。

图6 系统软件流程图Fig.6 Flowchart of system software

初始化各模块包括系统时钟、看门狗、GPIO、定时器、A/D 模块、USART、中断系统。由10 个磁感应芯片组成的芯片排布阵列如图7 所示。

图7 芯片排布阵列示意图Fig.7 Schematic diagram of chip layout array

算法解算磁钢位置的具体步骤如下。

①前提条件:将磁钢从1#芯片的左侧匀速移动到10#芯片的右侧,从而获得10 路磁感应芯片的A/D 最大值与最小值,即Vmax[10]、Vmin[10]。

②将(0,Vmin),(2D,Vmax)代入公式yi=kixi+bi,即可解算出每一个芯片的线性公式。

③磁钢处于图7 中直线上的任何位置时,将采集到的10 路A/D 值经滤波处理后保存在Vin[0]～Vin[9]中。

④将Vin[0]～Vin[9]的值分别代入各自的线性方程中,即可解算出当前10 个磁感应芯片的X值。通过比较这10 个X值,找出Xmax、Xmin,即可确定当前磁钢的位置。

如果此时磁钢处于图7 中的B区域,4#、5#、6#三个磁感应芯片相应的芯片组电压输出波形如图8 所示。图8 中的pos 即为当前磁钢所处的位置。

图8 芯片组电压输出波形图Fig.8 Voltage output waveforms of chipsets

推算出磁钢的位置后,接下来的工作即为精确计算磁钢的位移量。

(1)计算每一路磁感应芯片的A/D 均值以及均值与最大值、最小值之间的差值,即:

式中:Vaver为磁感应芯片的A/D 均值;Vdiff为磁感应芯片有效输出值的中间值。

(2)计算磁钢距当前两个磁感应芯片中心正上方的直线距离:

根据式(4)、式(5),即可计算出Xi+1与Xi的值:

(3)分别计算Xi+1与Xi与D的差值的绝对值:

(4)计算最终磁钢位移值:

①如果Δi+1＞Δi,则以Δi计算最终的距离值,即S=(i+1)×L-Xi;

②如果Δi+1＜Δi,则以Δi+1计算最终的距离值,即S=(i+1)×L+Xi+1;

③如果Δi+1=Δi,则最终位移即为S=(i+1)×L。

4 试验测试与分析

为验证磁感应式位移传感器的性能,采用更精密的标定设备带动磁钢运动。每运动一段距离,分别记录当前标定设备和位移传感器的输出位移值。试验测试数据如图9 所示。

图9 试验测试数据Fig.9 Experimental test data

标定设备的输出值为理论值,磁感应式位移传感器计算的位移值为实际值,两者的差值为误差值。图9中,误差值小于等于0.1 mm,小于技术要求的0.5 mm。这个误差的产生主要是由于磁钢从一个磁感应芯片运动到相邻的磁感应芯片时,计算距离时的参考对象发生变化。而每个传感器各自的特性稍微有些不同,因此该误差值在一定程度上会存在。通过改进芯片位置结构排布以及磁钢与芯片之间的间距,可以尽量减小误差值。

5 结论

本文针对传统位移测量传感器使用寿命短、安装复杂等的缺点,利用磁感应芯片一定角度范围内线性输出的特点,提出了在非接触的情况下实现直线位移测量的观点,详细分析了相应的工作原理与位置解算的方法。经多次试验测试可知,磁感应式位移传感器输出位移精度可以达到0.02 mm,测量值误差不大于0.1 mm,小于技术要求的0.5 mm,线性度达到±1‰,满足无人机直线位移传感器的使用要求。