本發(fā)明屬于角度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種基于線(xiàn)性霍爾傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

角度測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、航空航天、電力電子、建筑、汽車(chē)等眾多領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域之中，大多數(shù)情況下都需要將角度測(cè)量作為閉環(huán)反饋控制量，因此，角度測(cè)量的精度有時(shí)直接決定了控制精度。

目前，由于工藝制作復(fù)雜，只有一維磁敏傳感器得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，它主要包括磁敏電阻型和霍爾板型兩種：

磁敏電阻型角度傳感器具有靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是隨溫度變化會(huì)產(chǎn)生測(cè)量角度值漂移現(xiàn)象，而且采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝很難實(shí)現(xiàn)。

一維霍爾板型角度傳感器具有較好的靈敏度，同時(shí)零磁場(chǎng)輸出電壓可以通過(guò)外圍電路調(diào)節(jié)，線(xiàn)性誤差小，但其只能實(shí)現(xiàn)0-90°范圍的角度測(cè)量，測(cè)量范圍狹窄。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種基于線(xiàn)性霍爾傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)0-360°范圍內(nèi)的角度測(cè)量，克服了傳統(tǒng)角度測(cè)量方法測(cè)量范圍狹窄的缺陷。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于線(xiàn)性霍爾傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)，包括4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器、4個(gè)電位器、AD采樣器、微處理器和顯示器，所述4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器沿一圓周依次設(shè)置，且相鄰的兩個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器正交放置，相對(duì)的兩個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器正對(duì)放置，徑向充磁磁鐵的中心軸線(xiàn)經(jīng)過(guò)4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器所沿圓周的圓心，并與該圓周垂直，所述4個(gè)電位器與4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器的信號(hào)輸出端分別與對(duì)應(yīng)電位器的第一固定端連接，4個(gè)電位器的第二固定端均接地，4個(gè)電位器的滑動(dòng)端分別接入AD采樣器的4個(gè)采集通道，微處理器分別連接AD采樣器的輸出端和顯示器；所述徑向充磁磁鐵水平旋轉(zhuǎn)一定角度，4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器輸出4組電壓信號(hào)，并經(jīng)電位器分壓和AD采樣后輸入微處理器，微處理器根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算出徑向充磁磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度，并顯示在顯示器上。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述線(xiàn)性霍爾傳感器的型號(hào)為BM2502。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述微處理器采用STM32F103單片機(jī)。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述顯示器采用OLED液晶顯示器。

本發(fā)明還提出了基于上述角度測(cè)量系統(tǒng)的角度測(cè)量方法，包括如下步驟：

(1)當(dāng)徑向充磁磁鐵水平旋轉(zhuǎn)θ角度，4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器輸出4路正弦信號(hào)V1、V2、V3、V4，相鄰的線(xiàn)性霍爾傳感器輸出的正弦信號(hào)的相位相差90度，相對(duì)的線(xiàn)性霍爾傳感器輸出的正弦信號(hào)相互正交，即V1與V3正交，V2與V4正交；

(2)調(diào)節(jié)4個(gè)電位器，將4路正弦信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)地分壓，得到4路分壓信號(hào)U1、U2、U3、U4；

(3)將4路分壓信號(hào)U1、U2、U3、U4進(jìn)行AD采樣后輸入微處理器，微處理器對(duì)U1、U2、U3、U4進(jìn)行歸一化處理：

上式中，U1_max～U4_max為預(yù)設(shè)的U1～U4上界值，U1_min～U4_min為預(yù)設(shè)的U1～U4下界值；

(4)對(duì)歸一化的信號(hào)u₁、u₂、u₃、u₄進(jìn)行差分處理，得到四象限差分信號(hào)：

上式中，At₁～At₄依次為第一～第四象限的差分信號(hào)；

(5)根據(jù)四象限差分信號(hào)構(gòu)建四象限旋轉(zhuǎn)角公式：

θ₁＝arctan(At₁)+45°，θ₁∈(0，90°]

θ₂＝arctan(At₂)+135°，θ₂∈(90，180°]

θ₃＝arctan(At₃)+225°，θ₃∈(180，270°]

θ₄＝arctan(At₄)+315°，θ₄∈(270，360°]

上式中，θ₁～θ₄分別對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度θ在四個(gè)象限的旋轉(zhuǎn)角；

(6)判斷旋轉(zhuǎn)角度θ位于哪個(gè)象限，利用步驟(5)對(duì)應(yīng)的公式，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度：

U1>0且U2>0，則0°<θ≤90°，即θ＝θ₁；

U1>0且U2<0，則90°<θ≤180°，即θ＝θ₂；

U1<0且U2<0，即180°<θ≤270°，則θ＝θ₃；

U1<0且U2>0，即270°<θ≤360°，則θ＝θ₄。

采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：

(1)檢測(cè)精度高：本發(fā)明采用四組線(xiàn)性霍爾傳感器聯(lián)合測(cè)量，通過(guò)差分信號(hào)處理大大消除了噪聲和溫度漂移導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，提高了檢測(cè)精度；

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高：本發(fā)明采用單片機(jī)作為處理器，摒棄傳統(tǒng)的FPGA或DSP，使得測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，而且便于開(kāi)發(fā)與二次維護(hù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

(3)算法精簡(jiǎn)，執(zhí)行效率高：本發(fā)明采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)角度結(jié)算，相比DSP與FPGA具有更為精簡(jiǎn)的算法設(shè)計(jì)，利用象限角映射實(shí)現(xiàn)0°～360°連續(xù)測(cè)量，執(zhí)行效率也同步提高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中標(biāo)志位Flag與旋轉(zhuǎn)角所在象限的映射關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于線(xiàn)性霍爾傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)，包括4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器、4個(gè)電位器、AD采樣器、微處理器和顯示器，所述4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器沿一圓周依次設(shè)置，且相鄰的兩個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器正交放置，相對(duì)的兩個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器正對(duì)放置，徑向充磁磁鐵的中心軸線(xiàn)經(jīng)過(guò)4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器所沿圓周的圓心，并與該圓周垂直，所述4個(gè)電位器與4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器的信號(hào)輸出端分別與對(duì)應(yīng)電位器的第一固定端連接，4個(gè)電位器的第二固定端均接地，4個(gè)電位器的滑動(dòng)端分別接入AD采樣器的4個(gè)采集通道，微處理器分別連接AD采樣器的輸出端和顯示器；所述徑向充磁磁鐵水平旋轉(zhuǎn)一定角度，4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器輸出4組電壓信號(hào)，并經(jīng)電位器分壓和AD采樣后輸入微處理器，微處理器根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算出徑向充磁磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度，并顯示在顯示器上。

在本實(shí)施例中，微處理器采用STM32F103單片機(jī)。顯示器采用OLED液晶顯示器。線(xiàn)性霍爾傳感器采用BM2502霍爾傳感器。當(dāng)BM2502芯片處于零磁場(chǎng)條件時(shí)，它的輸出電壓是工作電壓的一半。當(dāng)S磁極出現(xiàn)在霍爾傳感器靈敏面時(shí)，輸出電壓將隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而線(xiàn)性升高；相反，當(dāng)N磁極出現(xiàn)在霍爾傳感器靈敏面時(shí)，輸出電壓將隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而線(xiàn)性降低。

本發(fā)明還提出了基于上述角度測(cè)量系統(tǒng)的角度測(cè)量方法，步驟如下：

步驟1：當(dāng)徑向充磁磁鐵水平旋轉(zhuǎn)θ角度，4個(gè)線(xiàn)性霍爾傳感器輸出4路正弦信號(hào)V1、V2、V3、V4，相鄰的線(xiàn)性霍爾傳感器輸出的正弦信號(hào)的相位相差90度，相對(duì)的線(xiàn)性霍爾傳感器輸出的正弦信號(hào)相互正交，即V1與V3正交，V2與V4正交。

步驟2：考慮到四只線(xiàn)性霍爾傳感器由于工藝偏差等因素，導(dǎo)致相同磁場(chǎng)下輸出電壓不會(huì)完全一致，因此將四路模擬信號(hào)V1-V4對(duì)地接精密電位器分壓，這樣在系統(tǒng)初始化時(shí)可以微調(diào)電位器，保證四路正弦波的對(duì)稱(chēng)性與完整性。設(shè)分壓后信號(hào)為U1、U2、U3、U4，即：

U1＝K₁·V1＝Hsinα

U2＝K₂·V2＝Hsin(α-90°)＝-Hcosα

U3＝K₃·V3＝Hsin(α-180°)＝-Hsinα

U4＝K₄·V4＝Hsin(α-270°)＝Hcosα

上式中，H為電位器調(diào)節(jié)后四路信號(hào)的幅值，K₁～K₄為調(diào)節(jié)因子，α為旋轉(zhuǎn)角度。

步驟3：將四路分壓后信號(hào)U1～U4送入AD采樣器的四個(gè)采集通道，AD采樣器將數(shù)字信號(hào)以SPI協(xié)議送入單片機(jī)IO接口。為實(shí)現(xiàn)精確三角函數(shù)計(jì)算，將信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，使四路正弦信號(hào)的值域變?yōu)閇-1,1]：

上式中，U1_max～U4_max為預(yù)設(shè)的U1～U4上界值，U1_min～U4_min為預(yù)設(shè)的U1～U4下界值，當(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，上、下界值可以重新設(shè)定。

步驟4：根據(jù)對(duì)歸一化的信號(hào)u₁、u₂、u₃、u₄進(jìn)行差分處理，得到四象限差分信號(hào)與四象限旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系：

上式中，At₁～At₄依次為第一～第四象限的差分信號(hào)，α₁～α₄依次為旋轉(zhuǎn)角度α對(duì)應(yīng)于第一～第四象限的旋轉(zhuǎn)角度。

步驟5：根據(jù)步驟4建立的關(guān)系式，通過(guò)反正切/余切計(jì)算，得到旋轉(zhuǎn)角度，以第一象限角為例，其中α∈[-45°,45°]，為得到0°～360°映射，定義最終旋轉(zhuǎn)角度θ＝α+45°，則θ∈[0°,90°]，據(jù)此構(gòu)建最終旋轉(zhuǎn)角度在四個(gè)象限的公式：

θ₁＝arctan(At₁)+45°，θ₁∈(0，90°]

θ₂＝arctan(At₂)+135°，θ₂∈(90，180°]

θ₃＝arctan(At₃)+225°，θ₃∈(180，270°]

θ₄＝arctan(At₄)+315°，θ₄∈(270，360°]。

步驟6：在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)記位Flag，根據(jù)Flag確定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度位于哪個(gè)象限，求得最終旋轉(zhuǎn)角度，并進(jìn)行顯示。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)角度與Flag之間映射關(guān)系如下：

U1>0且U2>0Flag＝1，則0°<θ≤90°，即θ＝θ₁；

U1>0且U2<0Flag＝2，則90°<θ≤180°，即θ＝θ₂；

U1<0且U2<0Flag＝3，即180°<θ≤270°，則θ＝θ₃；

U1<0且U2>0Flag＝4，即270°<θ≤360°，則θ＝θ₄。

本發(fā)明采用4組線(xiàn)性霍爾傳感器同時(shí)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角，充分發(fā)揮了每個(gè)傳感器的測(cè)量范圍優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了一維霍爾板型角度傳感器無(wú)法測(cè)量0～360°角度的不足。通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、校準(zhǔn)、歸一化、映射等步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)角的精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以實(shí)現(xiàn)0～360°精確測(cè)量，誤差小于0.05°。同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、實(shí)現(xiàn)難度與成本大大降低，可廣泛用于雷達(dá)、航空航天、電力電子、建筑、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。