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基于磁柵位移傳感器的角度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2021-10-14 11:10:38

次

摘要:為了提高轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)精度

、抗干擾能力和提高可靠性,設(shè)計(jì)了一種基于磁柵位移傳感器的角度測(cè)量裝置

。該裝置以嵌入式微處理器STM32F103為核心構(gòu)建,設(shè)計(jì)采用磁柵位移傳感器,這種傳感器能將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路具有相位差的脈沖信號(hào),將脈沖信號(hào)傳輸至STM32F103進(jìn)行計(jì)數(shù)最終將對(duì)位移的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)角度的測(cè)量,通過(guò)串口傳送到上位機(jī)給出結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置具有較高的可靠性和測(cè)量精度。

關(guān)鍵字：磁柵尺

；角度測(cè)量

；信號(hào)采集

角度的測(cè)量是伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,目前廣泛應(yīng)用的角度測(cè)量傳感器一般有光電編碼器、光柵傳感器2

、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等

。光柵式傳感器大量程測(cè)量精度僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?光柵測(cè)量技術(shù)成熟,精度和分辨率較高,應(yīng)用較廣泛。但由于機(jī)械振動(dòng)易使光柵尺破碎,光柵尺抗沖擊性

、抗振性能不高,光器件的使用壽命短,結(jié)構(gòu)定位組裝復(fù)雜,成本較高,而正余弦變壓器雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單,但是容易損壞不易維修

。文中基于STM32微控制器,應(yīng)用磁柵位移傳感器設(shè)計(jì)了一種角度測(cè)量裝置4,并且給出其硬件電路設(shè)計(jì)了及軟件模塊,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其測(cè)量精度和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

1.1角度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

磁柵尺,磁柵尺廠家,磁柵尺價(jià)格

角度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路以ARM處理器為核心,由系統(tǒng)電源電路,傳感器電路,通訊接口電路和主控芯片電路等5部分組成,本系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示

。

1.2 STM32F103微控制器

本系統(tǒng)是高精度的位移測(cè)量傳感器的信號(hào)處理系統(tǒng),由于ST提供了完整的開(kāi)發(fā)工具和庫(kù)函數(shù),使得用戶(hù)方便的訪問(wèn)STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)

。因而在本設(shè)計(jì)中選擇意法半導(dǎo)體ST公司推出的STM32F103微控制器STM32系列的微控制器是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于 ARM Cortex--M3內(nèi)核的微控制器,具有高性能、低成本

、低功耗等特點(diǎn)

。工作頻率可達(dá)70MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(128 kB Flash,20 kB SRAM),擁有豐富的增強(qiáng)I端口(大部分IO端口可5V兼容)和 USART、SPI

、I2S

、ADC

、DAC等眾多外設(shè)功能,提供84個(gè)中斷

、16級(jí)可配置優(yōu)先級(jí),并且可在-40~105℃的溫度下工作。

1.3磁柵位移傳感器的工作原理

磁柵位移傳感器是一種可將位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖的傳感器-12,這種傳感器由磁柵尺

、磁頭組成

。當(dāng)磁頭在尺上面發(fā)生位置變化時(shí),編碼器產(chǎn)生周期性的增量脈沖,因此,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)就可以完成對(duì)位移的測(cè)量。編碼器可輸出A,B,Z3個(gè)信號(hào),其中A,B兩路信號(hào)為相位相差90°的方波信號(hào),Z相為每轉(zhuǎn)一圈的標(biāo)志信號(hào),每圈只產(chǎn)生一個(gè)脈沖,信號(hào)波形圖如圖2所示

。

磁柵位移傳感器的工作原理

由波形圖可以看出,在一個(gè)周期內(nèi),相位相差90°的AB兩路信號(hào)可以有4種電平組合,分別是下圖的4種組合狀態(tài)

。當(dāng)磁頭正向移動(dòng)時(shí),狀態(tài)變化為10>11>01>00,反向移動(dòng)時(shí),狀態(tài)變化為01>11>10>00,并且以此周期性循環(huán),可以看到,無(wú)論在正向還是在反向移動(dòng)的情況下,對(duì)于任意一個(gè)狀態(tài),它的前一個(gè)或后一個(gè)狀態(tài)是一確定的

。例如狀態(tài)11,在正向移動(dòng)時(shí),前一個(gè)狀態(tài)是10,后一個(gè)狀態(tài)是01,而在反向移動(dòng)式,前一個(gè)狀態(tài)是01,后一個(gè)狀態(tài)是10

。因此,可根據(jù)A、B相組合電平的變化來(lái)判斷磁頭的移動(dòng)方向和四倍頻的細(xì)分計(jì)數(shù)

。

1.4差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,由于要采用磁柵尺作為位移傳感器,而磁柵尺傳感器輸出的是差分信號(hào),因而我們?cè)谛盘?hào)處理系統(tǒng)中集成了差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,將磁柵尺輸出的差分信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入下位機(jī),由處理器芯片讀取脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232通訊接口送給上位機(jī)進(jìn)行處理顯示

。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)中采用MAX3095作為傳感器差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片,MAX3095是美國(guó)美信公司生產(chǎn)的四通道RS422/RS485發(fā)送器,其采用單5V電源供電,支持熱插拔,具有ESD保護(hù)電路,因而能很好的實(shí)現(xiàn)光柵輸入的差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換,本模塊具體電路原理如圖所示

。經(jīng)過(guò)磁柵輸入的3對(duì)差分信號(hào)(六路)經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路后分別送入MAX3095芯片的3個(gè)通道,經(jīng)過(guò)芯片接收轉(zhuǎn)換后,轉(zhuǎn)變成處理器能夠識(shí)別的TTL信號(hào)送入STM32進(jìn)行后續(xù)處理

。

1.5 RS232串口電路

STM32F103芯片內(nèi)部集 USART成有3個(gè),因此本系統(tǒng)與上位機(jī)通訊通過(guò)RS-232串行接口來(lái)實(shí)現(xiàn)13-141,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。本設(shè)計(jì)選用美信公司的MAX3232串口驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片是美信公司專(zhuān)門(mén)為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5V單電源供電,具有片載電荷泵升壓

、電壓極性反轉(zhuǎn)能力和功耗低等特點(diǎn)

。內(nèi)部集成2個(gè)RS-232驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)RS-232接收器

。具體電路如圖4所示。

RS232串口電路

2 軟件設(shè)計(jì)

在本方案中,編碼器A

、B相的信號(hào)輸入到STM32微控制器引腳,由兩信號(hào)的上升和下降邊沿分別觸發(fā)中斷請(qǐng)求,調(diào)用 GPIO ReadInput DataBit函數(shù)來(lái)讀取引腳的輸入值,高電平是1,低電平是0,從而得到A

、B相信號(hào)組合的編碼值,并根據(jù)現(xiàn)組合編碼值的前一個(gè)狀態(tài)來(lái)判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),正轉(zhuǎn)則計(jì)數(shù)加1,反轉(zhuǎn)則計(jì)數(shù)減1。例如,現(xiàn)得到組合狀態(tài)值11,如果前一狀態(tài)是10,則編碼器正轉(zhuǎn),計(jì)數(shù)加1,如果是01,則相反

。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)的倍頻鑒相和判斷計(jì)數(shù),最后完成角度換算

。當(dāng)前狀態(tài)為11的程序流程如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)

利用STM32較高的性能,實(shí)現(xiàn)軟件四倍頻鑒相計(jì)數(shù),不但簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),而且使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方便

、快捷

、更具靈活性。在編碼器相對(duì)運(yùn)動(dòng)一圈產(chǎn)生的15865個(gè)脈沖周期里,總共產(chǎn)生63460個(gè)周期性分頻編碼,由此可知,角度變化量△a與計(jì)數(shù)值n的關(guān)系:△a=n(6000/63460),單位為密位

。角度在信號(hào)處理中需要使用Z相脈沖信號(hào),在Z相脈沖產(chǎn)生中斷時(shí),角度計(jì)數(shù)清零,從而實(shí)現(xiàn)0密位的校正

。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方案,完成硬件電路設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)將磁柵尺在一個(gè)圓環(huán)上繞滿(mǎn)一圈并固定在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上,將磁頭固定在圓環(huán)上方,最后對(duì)角度測(cè)量裝置進(jìn)行角度測(cè)量調(diào)試,并利用C+builder編寫(xiě)了上位機(jī)程序顯示調(diào)試結(jié)果,上位機(jī)顯示的測(cè)量結(jié)果如圖6所示

。從圖中的結(jié)果可以看出本裝置測(cè)量精度可以達(dá)到0.01密位,并且隨著圓環(huán)的直徑增大,精度將會(huì)越大

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種基于磁柵位移傳感器的高精度角度測(cè)量系統(tǒng),詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的測(cè)量原理,給出了總體設(shè)計(jì)電路圖,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該角度測(cè)量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),具有很高的研究意義和市場(chǎng)價(jià)值

。