耐高溫磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器驅(qū)動器及傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種用于磁阻MR(Magnetoresistance)轉(zhuǎn)角位置的傳感器驅(qū)動器及其傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷直流電動機具有高效節(jié)能，壽命長，可靠性高的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比，無刷直流電動機具有很大的性能優(yōu)勢。隨著計算機和電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機得到了越來越廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動機與其它類型電動機的主要差別之一是前者需要轉(zhuǎn)角位置傳感器。雖然在過去的30年里，不斷的有不需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的所謂Sensorless方法被開發(fā)出來,但性能方面多多少少都存在局限性，不適用于高性能的無刷直流電動機系統(tǒng)。
[0003]現(xiàn)有的轉(zhuǎn)角位置傳感器有多種類型。常用的霍爾(HALL)開關(guān)元件不能提供連續(xù)的轉(zhuǎn)角位置信息，光電編碼器不能承受高溫和振動，而旋轉(zhuǎn)變壓器體積大，成本高，并且需要專用的信號處理集成電路，均不適合于汽車等溫度高，振動大，成本低的應(yīng)用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種耐高溫磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器驅(qū)動器及傳感器系統(tǒng)，具有耐高溫，耐沖擊振動，成本低等特點，非常適合于汽車用高性能無刷直流電動機。
[0005]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0006]一種耐高溫磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器驅(qū)動器包括一只磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片、一只微處理器和兩套驅(qū)動單元；
[0007]其中磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片包括兩套分別由四只磁阻元件串聯(lián)組成的惠斯通磁阻橋，惠斯通磁阻橋的一個對角分別為正電源端和接地端，另一個對角分別為兩路差分信號的輸出端；
[0008]微處理器設(shè)置有多只模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和脈寬調(diào)制輸出端口 ；
[0009]驅(qū)動單元包括傳感電阻、差分放大器、低通濾波器和同相運算放大器構(gòu)成的電流源，
[0010]同相運算放大器的同相輸入端通過低通濾波器與微處理器的脈寬調(diào)制輸出端口相聯(lián)；同相運算放大器的反向輸入端分別與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口、對應(yīng)惠斯通磁阻橋的接地端相聯(lián)；
[0011]傳感電阻設(shè)置同相運算放大器的反向輸入端和地之間；
[0012]同相運算放大器的輸出端分別與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和對應(yīng)惠斯通磁阻橋的正電源端相聯(lián)；
[0013]差分放大器的輸入端與惠斯通磁阻橋的差分信號輸出端相聯(lián)，差分放大器的輸出端與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口相聯(lián)。
[0014]一種耐高溫磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器系統(tǒng)，包括一只旋轉(zhuǎn)磁鐵、一只磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片、一只微處理和兩套驅(qū)動單元；
[0015]其中旋轉(zhuǎn)磁鐵為兩極永久磁鐵，永久磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸的一端；
[0016]磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片包括兩套分別由四只磁阻元件串聯(lián)組成的惠斯通磁阻橋，惠斯通磁阻橋的一個對角分別為正電源端和接地端，另一個對角分別為兩路差分信號的輸出端；
[0017]微處理器設(shè)置有多只模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和脈寬調(diào)制輸出端口 ；
[0018]驅(qū)動單元包括傳感電阻、差分放大器、低通濾波器和同相運算放大器構(gòu)成的電流源；
[0019]同相運算放大器的同相輸入端通過低通濾波器與微處理器的脈寬調(diào)制輸出端口相聯(lián)；同相運算放大器的反向輸入端分別與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口、對應(yīng)惠斯通磁阻橋的接地端相聯(lián)；
[0020]傳感電阻設(shè)置同相運算放大器的反向輸入端和地之間；
[0021]同相運算放大器的輸出端分別與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和對應(yīng)惠斯通磁阻橋的正電源端相聯(lián)；
[0022]差分放大器的輸入端與惠斯通磁阻橋的差分信號輸出端相聯(lián)，差分放大器的輸出端與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口相聯(lián)。
[0023]本發(fā)明具有的技術(shù)效果如下:
[0024]1、本發(fā)明提出了一種磁轉(zhuǎn)角位置傳感器系統(tǒng)，采用微處理器實時監(jiān)控傳感器芯片中磁阻橋電阻來檢測溫度，并相應(yīng)改變芯片的供電電流，補償了磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片橋峰值電壓隨溫度升高而降低，保持了系統(tǒng)的分辨率。
[0025]2、本發(fā)明沒有使用熱敏電阻，熱敏二極管等專用的溫度傳感器，而是通過對MR橋電阻的檢測就可以得到當(dāng)前的溫度，同時溫度檢測電路就是利用現(xiàn)有的角度測量電路，沒有附加的成本，可靠性和性價比很高。本發(fā)明溫度檢測對提高系統(tǒng)的安全性具有非常重要的作用，而且它對于MR傳感器芯片的硬件故障檢測起著必不可少的作用。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明為磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器的磁鐵和芯片安裝結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2為本發(fā)明磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片的結(jié)構(gòu)。
[0028]圖3為本發(fā)明溫度補償恒流供電MR信號處理電路及驅(qū)動器原理圖。
[0029]圖4為本發(fā)明基于運算放大器的電流源原理圖。
[0030]附圖標(biāo)記如下:
[0031]11 一旋轉(zhuǎn)軸；12—磁鐵；13—傳感器芯片；R1、R2—傳感器芯片電阻橋；R3、R4—傳感電阻；U1A、U1B—運算放大器；U1—微處理器；U2、U3—低通濾波器；U4、U5—差分放大器；A/D 1、A/D2、A/D3、A/D4—微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器端口； PWMl、PWM2—微處理器的脈寬調(diào)制輸出端口 ；Vccl、Vcc2—電阻橋正電源端；GND、GND2—芯片接地端；+Vol、-Vol芯片橋I的兩路差分信號輸出端；+Vo2、-Vo2芯片橋2的兩路差分信號輸出端。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明的磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器包括旋轉(zhuǎn)磁鐵、轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片以及驅(qū)動單元和微處理。其中磁鐵和芯片的安裝結(jié)構(gòu)見圖1。其中，兩極永久磁鐵12固定在旋轉(zhuǎn)軸11的一端，磁鐵是沿直徑方向磁化。磁鐵不一定是圓形，可以是任何形狀，選取原則是成本，尺寸以及公差配合。磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片13固定在旋轉(zhuǎn)軸的延長線上，其中心與旋轉(zhuǎn)軸的中心重合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁鐵產(chǎn)生的磁場方向也開始旋轉(zhuǎn)，磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片檢測磁場方向的變化，輸出兩路正、余弦模擬電壓，其中帶有旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角位置信息，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)電路的處理，就能得到真實的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角位置信息。
[0033]轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片的結(jié)構(gòu)見圖2。它是基于磁阻效應(yīng)原理，即某些材料的電阻隨外界磁場強度的變化而變化，通過測量材料的電阻就可以檢測出外界的磁場強度。為了達到檢測磁場方向的目的，用于轉(zhuǎn)角位置檢測的磁阻傳感器芯片有著特殊的結(jié)構(gòu)，如圖2中所見，8個磁阻兀件形成兩個惠斯通Wheatston橋。圖中，Vccl和Vcc2分別為芯片兩路橋的正電源端，GNDl和GND2分別為芯片兩路橋的接地端，+Vol和-Vol分別為芯片橋I的兩路差分信號輸出端，+Vo2和-Vo2分別為芯片橋2的兩路差分信號輸出端。一般應(yīng)用中，在電源端和地端之間施加電源電壓，從輸出端就可以得到差分輸出信號。
[0034]這些特殊結(jié)構(gòu)帶來的特點是，當(dāng)外部磁場旋轉(zhuǎn)時，芯片輸出兩路帶有直流偏置成分的模擬差分信號，其幅度隨外界磁場方向的變化而呈正余弦變化，相角相差90°。通過檢測這兩路正余弦模擬信號，并對這兩路信號通過信號處理算法進行解算，就可以判斷出外界磁場的方向，從而得出旋轉(zhuǎn)軸的方向。
[0035]磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片轉(zhuǎn)角和信號幅值的關(guān)系如下
[0036]V0(V0ut1)-Voffset (V0ut1)+U^sin (2 Θ )
[0037]Vo(V0UT2)-Voffset (Vout2) +U^cos (2 Θ )
[0038]其中，V。(νουτι)和V。(νουτ2)分別為芯片第一路和第二路輸出信號。Vtjffset (VOUTi)和^offset (V0UT2) 分別為芯片第一路和第二路輸出信號中的直流偏置成分。U為芯片正余弦輸出信號的幅值。Θ為外部磁場與芯片軸線之間的夾角。磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片輸出的信號經(jīng)過信號處理電路之后，理論上成為相角相差90°的正弦波信號，其瞬時值隨旋轉(zhuǎn)軸角度呈正弦和余弦變化。
[0039]磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片最主要的特點在于磁場飽和性，S卩外界磁場強度達到一定值以后，其輸出信號的幅度只與外界磁場的方向相關(guān)，而不隨外界磁場的強度發(fā)生變化。就是說，實際應(yīng)用中溫度變化，機械誤差等等因素所造成的磁場強度變化對磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片輸出信號的精度沒有影響，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性和精確性。
[0040]現(xiàn)在有一些芯片供應(yīng)商也提供類似的基于HALL傳感器原理的方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似于磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器系統(tǒng)，但局限于HALL效應(yīng)的性能，都不具備磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片的磁場飽和性，系統(tǒng)的輸出可靠性和精確性受工作環(huán)境的影響很大，遠遠達不到磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片的性能水平。這也是磁阻轉(zhuǎn)角位置傳感器芯片在汽車用應(yīng)用領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢的主要原因之一。
[0041]像所有其他系統(tǒng)一樣，