CN104655003B - 耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器***，驱动器包括磁阻转角位置传感器芯片、微处理器和驱动单元；磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口，驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源；本发明采用微处理器实时监控传感器芯片中磁阻桥电阻来检测温度，并相应改变芯片的供电电流，补偿了磁阻转角位置传感器芯片桥峰值电压随温度升高而降低，保持了***的分辨率。同时发明没有使用专用的温度传感器，而是充分利用了磁阻桥电阻及其电路，提高了可靠性和性价。

Description

耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器***

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于磁阻MR(Magnetoresistance)转角位置的传感器驱动器及其传感器***。

背景技术

无刷直流电动机具有高效节能，寿命长，可靠性高的优点，与传统的有刷直流电动机相比，无刷直流电动机具有很大的性能优势。随着计算机和电力电子技术的发展，无刷直流电动机得到了越来越广泛的应用。无刷直流电动机与其它类型电动机的主要差别之一是前者需要转角位置传感器。虽然在过去的30年里，不断的有不需要转子位置传感器的所谓Sensorless方法被开发出来，但性能方面多多少少都存在局限性，不适用于高性能的无刷直流电动机***。

现有的转角位置传感器有多种类型。常用的霍尔(HALL)开关元件不能提供连续的转角位置信息，光电编码器不能承受高温和振动，而旋转变压器体积大，成本高，并且需要专用的信号处理集成电路，均不适合于汽车等温度高，振动大，成本低的应用场合。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器***，具有耐高温，耐冲击振动，成本低等特点，非常适合于汽车用高性能无刷直流电动机。

本发明的具体技术方案如下：

一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器包括一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理器和两套驱动单元；

其中磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；

微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口；

驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源，

同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与微处理器的模数转换端口、对应惠斯通磁阻桥的接地端相联；

传感电阻设置同相运算放大器的反向输入端和地之间；

同相运算放大器的输出端分别与微处理器的模数转换端口和对应惠斯通磁阻桥的正电源端相联；

差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口相联。

一种耐高温磁阻转角位置传感器***，包括一只旋转磁铁、一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理器和两套驱动单元；

其中旋转磁铁为两极永久磁铁，永久磁铁固定在旋转轴的一端；

磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；

微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口；

驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源；

同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与微处理器的模数转换端口、对应惠斯通磁阻桥的接地端相联；

传感电阻设置同相运算放大器的反向输入端和地之间；

同相运算放大器的输出端分别与微处理器的模数转换端口和对应惠斯通磁阻桥的正电源端相联；

差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口相联。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明提出了一种磁转角位置传感器***，采用微处理器实时监控传感器芯片中磁阻桥电阻来检测温度，并相应改变芯片的供电电流，补偿了磁阻转角位置传感器芯片桥峰值电压随温度升高而降低，保持了***的分辨率。

2、本发明没有使用热敏电阻，热敏二极管等专用的温度传感器，而是通过对MR桥电阻的检测就可以得到当前的温度，同时温度检测电路就是利用现有的角度测量电路，没有附加的成本，可靠性和性价比很高。本发明温度检测对提高***的安全性具有非常重要的作用，而且它对于MR传感器芯片的硬件故障检测起着必不可少的作用。

附图说明

图1为本发明为磁阻转角位置传感器的磁铁和芯片安装结构图。

图2为本发明磁阻转角位置传感器芯片的结构。

图3为本发明温度补偿恒流供电MR信号处理电路及驱动器原理图。

图4为本发明基于运算放大器的电流源原理图。

附图标记如下：

11—旋转轴；12—磁铁；13—传感器芯片；R1、R2—传感器芯片电阻桥；R3、R4—传感电阻；U1A、U1B—运算放大器；U1—微处理器；U2、U3—低通滤波器；U4、U5—差分放大器；A/D1、A/D2、A/D3、A/D4—微处理器的模数转换器端口；PWM1、PWM2—微处理器的脉宽调制输出端口；Vcc1、Vcc2—电阻桥正电源端；GND、GND2—芯片接地端；+Vo1、-Vo1芯片桥1的两路差分信号输出端；+Vo2、-Vo2芯片桥2的两路差分信号输出端。

具体实施方式

本发明的磁阻转角位置传感器包括旋转磁铁、转角位置传感器芯片以及驱动单元和微处理。其中磁铁和芯片的安装结构见图1。其中，两极永久磁铁12固定在旋转轴11的一端，磁铁是沿直径方向磁化。磁铁不一定是圆形，可以是任何形状，选取原则是成本，尺寸以及公差配合。磁阻转角位置传感器芯片13固定在旋转轴的延长线上，其中心与旋转轴的中心重合。当旋转轴旋转时，磁铁产生的磁场方向也开始旋转，磁阻转角位置传感器芯片检测磁场方向的变化，输出两路正、余弦模拟电压，其中带有旋转轴的转角位置信息，经过信号调节电路的处理，就能得到真实的旋转轴转角位置信息。

转角位置传感器芯片的结构见图2。它是基于磁阻效应原理，即某些材料的电阻随外界磁场强度的变化而变化，通过测量材料的电阻就可以检测出外界的磁场强度。为了达到检测磁场方向的目的，用于转角位置检测的磁阻传感器芯片有着特殊的结构，如图2中所见，8个磁阻元件形成两个惠斯通Wheatston桥。图中，Vcc1和Vcc2分别为芯片两路桥的正电源端，GND1和GND2分别为芯片两路桥的接地端，+Vo1和-Vo1分别为芯片桥1的两路差分信号输出端，+Vo2和-Vo2分别为芯片桥2的两路差分信号输出端。一般应用中，在电源端和地端之间施加电源电压，从输出端就可以得到差分输出信号。

这些特殊结构带来的特点是，当外部磁场旋转时，芯片输出两路带有直流偏置成分的模拟差分信号，其幅度随外界磁场方向的变化而呈正余弦变化，相角相差90°。通过检测这两路正余弦模拟信号，并对这两路信号通过信号处理算法进行解算，就可以判断出外界磁场的方向，从而得出旋转轴的方向。

磁阻转角位置传感器芯片转角和信号幅值的关系如下

V_o(VOUT1)＝V_{offset(VOUT1)}+U*sin(2θ)

V_o(VOUT2)＝V_{offset(VOUT2)}+U*cos(2θ)

其中，V_o(VOUT1)和V_o(VOUT2)分别为芯片第一路和第二路输出信号。V_{offset(VOUT1)}和V_{offset(VOUT2)}分别为芯片第一路和第二路输出信号中的直流偏置成分。U为芯片正余弦输出信号的幅值。θ为外部磁场与芯片轴线之间的夹角。磁阻转角位置传感器芯片输出的信号经过信号处理电路之后，理论上成为相角相差90°的正弦波信号，其瞬时值随旋转轴角度呈正弦和余弦变化。

磁阻转角位置传感器芯片最主要的特点在于磁场饱和性，即外界磁场强度达到一定值以后，其输出信号的幅度只与外界磁场的方向相关，而不随外界磁场的强度发生变化。就是说，实际应用中温度变化，机械误差等等因素所造成的磁场强度变化对磁阻转角位置传感器芯片输出信号的精度没有影响，大大提高了整个***的可靠性和精确性。

现在有一些芯片供应商也提供类似的基于HALL传感器原理的方案，其***结构类似于磁阻转角位置传感器***，但局限于HALL效应的性能，都不具备磁阻转角位置传感器芯片的磁场饱和性，***的输出可靠性和精确性受工作环境的影响很大，远远达不到磁阻转角位置传感器芯片的性能水平。这也是磁阻转角位置传感器芯片在汽车用应用领域占绝对优势的主要原因之一。

像所有其他***一样，磁阻转角位置传感器芯片也有自己的缺点，那就是较大的温度漂移。传感器芯片桥的电阻和温度的关系为

R_bridge＝R_{bridge(-40℃)}+R_{bridge(-40℃)}*TCR_bridge*(T+40℃)/100

其中，R_bridge为传感器芯片桥当前温度下的的电阻。R_{bridge(-40℃)}为传感器芯片桥在-40℃温度下的的电阻。TCR_bridge为芯片桥电阻温度系数。T为芯片当前温度。

以典型的芯片为例，桥电阻温度系数为0.31％/K，峰值电压温度系数为-0.29％/K。就是说，在恒定电压供电的情况下，在典型的汽车工作温度范围内，当工作温度从-40℃变化到+125℃时，输出信号电压的峰值将降低47.85％。大大损害了***的分辨率。

克服这个缺点的一种常用方法是恒定电流供电方法。就是说采用一个恒定电流源来给磁阻转角位置传感器芯片供电。由于磁阻桥电阻为正温度系数，随着温度上升电阻变大，在供电电流恒定的情况下，相应的桥端电压也升高。这就部分补偿了负温度系数造成的峰值输出电压降低的问题。减小了***分辨率的损失。经过计算，以典型的***为例，当工作温度从-40℃变化到+125℃时，在恒定电流供电的情况下，输出信号电压的峰值将只降低21.45％。对比在恒定电压供电的情况下值47.85％，***分辨率的损失改善了一半多。

恒定电流供电的方法好，但分辨率还是有一定的损失。本文提出了一种新型的方法，通过检测磁阻转角位置传感器芯片桥电阻计算温度实时调整恒流激励的方法，可以完全保持分辨率不变。

我们知道磁阻转角位置传感器芯片桥有正的温度系数，给芯片施加一定电流，通过检测其端电压就可以确定它的电阻值。这个磁阻转角位置传感器芯片桥电阻跟温度相关，所以可以计算出磁阻转角位置传感器芯片桥的温度。根据磁阻转角位置传感器芯片桥峰值电压的温度系数，对芯片施加适当的电流。原则是高温时施加大电流，这样就补偿了磁阻转角位置传感器芯片桥峰值电压随温度升高而降低，保持了***的分辨率。

本发明耐高温磁阻转角位置传感器驱动器包括一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理和两套驱动单元，图3是本发明温度补偿恒流供电MR信号处理电路及驱动器原理图。图中U1为微处理器，A/D1、A/D2、A/D3、A/D4为微处理器的模数转换器端口，PWM1、PWM2为微处理器的脉宽调制输出端口。图中R1和R2是一块磁阻转角位置传感器芯片内部的两个电阻桥，R3和R4是检测电流用的传感电阻。运算放大器U1A和U1B以电流源模式驱动MR芯片，差分放大器U4和U5用于实现电流输出。

以图3中上半部分的单元为例，同相运算放大器U1A的同相输入端通过低通滤波器U2与微处理器U1的脉宽调制输出端口PWM1相联；同相运算放大器U1A的反向输入端分别与微处理器U1的模数转换端口A/D2、对应惠斯通磁阻桥R1的接地端GND1相联；传感电阻R3设置同相运算放大器U1A的反向输入端和地之间；同相运算放大器U1A的输出端分别与微处理器U1的模数转换端口A/D1和对应惠斯通磁阻桥R1的正电源端VCC1相联；差分放大器U4的输入端与惠斯通磁阻桥R1的差分信号输出端+VO1、-VO1相联，差分放大器U4的输出端与微处理器的模数转换端口A/D5相联。

图3中，差分放大器U4和U5用于消除磁阻转角位置传感器芯片输出信号的直流偏置成分，并转换为单端信号，便于与微处理器的模数转换器接口。将模数转换器采集的信号A/D1与A/D2，A/D3与A/D4分别相减，就可以得出磁阻转角位置传感器芯片桥上的电压。通过A/D2与A/D4可以得到通过磁阻转角位置传感器芯片桥的电流。基于这两对电压和电流信号，就可以计算出磁阻转角位置传感器芯片桥的电阻。通过桥电阻温度系数可以计算出磁阻转角位置传感器芯片桥的温度。根据磁阻转角位置传感器芯片输出峰值电压的温度系数，可以计算出保持峰值电压不变所需的供应电流值。MCU U1调整脉宽调制单元PWM1和PWM2的占空比，通过低通滤波器U2和U3，就可以控制电流源U1A和U1B的输出，从而控制磁阻转角位置传感器芯片的激励电流，最终保持磁阻转角位置传感器芯片输出峰值电压不随温度变化而变化。

下面介绍磁阻桥电流源工作原理。图4中，运算放大器U1A接成同相放大器的形式，MR芯片电阻桥R1作为反馈电阻，R3为传感电阻。根据运算放大器原理，同相输入电压Vda与反相输入电压高度相等，由于电阻R3的值是固定的，所以通过R3的电流只取决于电压Vda。由于R3和R1的串联关系，所以通过R1的电流只取决于电压Vda。最终结果，通过芯片电阻桥R1的电流由电压Vda所控制，公式如下

i_R1＝V_da/R3

结合图3和图4，Vda是由微处理器MCU的脉宽调制单元PWM输出的数字脉冲信号经低通滤波器平滑后的模拟电压信号，其幅度由微处理器软件控制。这样通过软件就可以控制通过MR芯片电阻桥的电流大小。

必须指出，这种方法的巧妙之处在于没有使用专用的温度传感器(热敏电阻，热敏二极管等等)，通过对MR桥电阻的检测就可以得到当前的温度。而温度检测电路就是利用现有的角度测量电路，没有附加的成本，可靠性和性价比很高。温度检测对提高***的安全性具有非常重要的作用，而且它对于MR传感器芯片的硬件故障检测起着必不可少的作用。

Claims (2)

1.一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器，其特征在于：包括一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理器和两套驱动单元；

1.1所述的磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，所述惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；

1.2所述的微处理器设置有模数转换端口A/D1、A/D2、A/D3、A/D4、A/D5、A/D6和脉宽调制输出端口；

1.3所述的驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源，

所述同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与对应的惠斯通磁阻桥的接地端、微处理器的模数转换端口A/D2或A/D4相联；

同相运算放大器的输出端分别与对应的惠斯通磁阻桥的正电源端、微处理器的模数转换端口A/D1或A/D3相联；

所述传感电阻设置在同相运算放大器的反向输入端和接地端之间；

所述差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口A/D5或A/D6相联。

2.一种耐高温磁阻转角位置传感器***，其特征在于：包括一只旋转磁铁(12)、一只磁阻转角位置传感器芯片(13)、一只微处理器和两套驱动单元；

2.1所述的旋转磁铁(12)为两极永久磁铁，所述的永久磁铁固定在旋转轴(11)的一端；

2.2所述的磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，所述惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；

2.3所述的微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口；

2.4所述的驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源；

所述同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与对应惠斯通磁阻桥的接地端、微处理器的模数转换端口A/D2或A/D4相联；

同相运算放大器的输出端分别与对应的惠斯通磁阻桥的正电源端、微处理器的模数转换端口A/D1或A/D3相联；

所述传感电阻设置在同相运算放大器的反向输入端和接地端之间；

所述差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口A/D5或A/D6相联。