RU2820033C1 - Absolute rotation angle sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for contactless determination of the angle of rotation and angular position of the shaft, speed and direction of rotation. In the turn angle sensor, the magnetic system is made in the form of a disk with two permanent magnets mounted in it, one is of rectangular shape with axial magnetisation, located in the centre of the disk, the other one is arc-shaped with radial magnetisation. Reading device consists of four magnetoresistive sensing elements (MRSE), two of which are located in the centre of the reading device, have a common centre and are turned at angle of 45° relative to each other, and the third and fourth are located in a circle relative to the centre with a radius equal to the radius of the arc-shaped magnet, wherein the arms of the third MRSE are spaced apart symmetrically relative to the centre by a distance of the diameter of the arc-shaped magnet, and the lines connecting the first pair of arms of the third MRSE, the centres of the first and fourth MRSE form one isosceles right triangle, and the lines connecting the second pair of arms of the third MRSE, centres of the first and fourth MRSE form the second isosceles right triangle.

EFFECT: increased bit capacity and reduced error of the sensor, high noise immunity, improved manufacturability and speed of operation, simplified design of the sensor and signal processing circuit.

1 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения угла поворота и углового положения вала, скорости и направление вращения.The invention relates to measuring technology and can be used for non-contact determination of the angle of rotation and angular position of the shaft, speed and direction of rotation.

Известны абсолютные датчики угла поворота (энкодеры) фирмы SICK серии ARS 60 и ATM 60 ATM 90 (www.stegmann.com), в которых используется кодирующий диск в сочетании с оптической и магниторезистивной технологиями и технологией зубчатых передач. Информация с кодирующего диска преобразуется в цифровую форму, но устройство такого энкодера достаточно сложное, содержит большое количество трущихся деталей, имеет ограниченный температурный диапазон и число оборотов, а чувствительные элементы - фототранзисторы и датчики Холла.Absolute rotation angle sensors (encoders) from SICK are known, the ARS 60 and ATM 60 ATM 90 series (www.stegmann.com), which use a coding disk in combination with optical and magnetoresistive technologies and gear technology. Information from the encoding disk is converted into digital form, but the design of such an encoder is quite complex, contains a large number of rubbing parts, has a limited temperature range and speed, and the sensitive elements are phototransistors and Hall sensors.

Известен также бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в 360°, описанный в патенте РФ № 2312363 С1 от 31.01.2006. Датчик состоит из двух механически не взаимосвязанных и изолированных друг от друга частей с постоянным зазором в пространстве между ними, одной частью является роторный узел, другая часть представляет собой статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, обеспечивающих через контактный интерфейс выдачу информации об угловом положении ротора с магнитом. Информация обрабатывается с использованием функции арктангенса сигналов интегрированного крестообразного массива элементов Холла.A non-contact programmable 360° absolute angular position sensor is also known, described in RF patent No. 2312363 C1 dated January 31, 2006. The sensor consists of two parts that are not mechanically interconnected and isolated from each other with a constant gap in the space between them, one part is the rotor assembly, the other part is the stator - a set of stationary mechanical and electronic parts that provide information about the angular position of the rotor through a contact interface with magnet. The information is processed using the arctangent function of the signals of the integrated cross-shaped array of Hall elements.

Применение в энкодерах датчиков Холла, а не магниторезисторов можно отнести к недостаткам, т.к. магниторезистивные датчики обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с датчиками Холла, а именно:The use of Hall sensors in encoders, rather than magnetoresistors, can be considered a disadvantage, because magnetoresistive sensors have a number of significant advantages compared to Hall sensors, namely:

- применение магниторезисторов обеспечивает широкий выбор магнитов для организации магнитной системы независимо от их остаточной намагниченности (но в пределах значения поля насыщения);- the use of magnetoresistors provides a wide choice of magnets for organizing a magnetic system, regardless of their residual magnetization (but within the saturation field value);

- магниторезистор работает в области насыщении, что приводит к независимости выходного сигнала от дрейфа во времени и воздействия температуры, широкому интервалу механических допусков - расстояния между магнитом, закрепленным на оси вращающегося механизма, и сенсором;- the magnetoresistor operates in the saturation region, which leads to the independence of the output signal from drift in time and the effects of temperature, a wide range of mechanical tolerances - the distance between the magnet mounted on the axis of the rotating mechanism and the sensor;

- диапазон рабочих температурных магниторезистивных датчиков составляет от -60°С до +160°С, а также они обладают радиационной стойкостью.- the operating range of temperature magnetoresistive sensors is from -60°C to +160°C, and they are also radiation resistant.

Известны датчики фирмы Honeywell типа НМС 1501 и НМС 1512 (application note AN 211, Honeywell, Solid State Electronics Center, www.magneticsensor.com), в которых в качестве считывающего устройства используются магниторезисторы, а также датчики фирмы Philips типа КМА220. (Dual channel programmable angle sensor. www.nxp.com. Present by 2012). При этом на валу крепится магнит для формирования необходимого магнитного поля. Недостатком данных датчиков является ограниченный диапазон измерения угла, а именно, однозначное определение угла поворота вала с помощью одного сенсора возможно только в диапазоне ±45°, а при использовании двух сенсоров, расположенные под углом 45"относительно друг друга, диапазон ограничен значениями ±90° (0-180)°, ввиду физических особенностей анизотропного магниторезистивного эффекта и работы магниторезисторов в области насыщения.Known sensors from Honeywell such as NMC 1501 and NMC 1512 (application note AN 211, Honeywell, Solid State Electronics Center, www.magneticsensor.com), in which magnetoresistors are used as a reading device, as well as sensors from Philips such as KMA220. (Dual channel programmable angle sensor. www.nxp.com. Present by 2012). In this case, a magnet is attached to the shaft to form the necessary magnetic field. The disadvantage of these sensors is the limited angle measurement range, namely, an unambiguous determination of the shaft rotation angle using one sensor is only possible in the range of ±45°, and when using two sensors located at an angle of 45" relative to each other, the range is limited to ±90° (0-180)°, due to the physical characteristics of the anisotropic magnetoresistive effect and the operation of magnetoresistors in the saturation region.

Имеются разработки датчиков на основе гигантского магниторезистивного эффекта в спин-вентильных или спин-туннельный структурах, выполненные фирмами, например, ф. Infineon, www.Infineon.com, (TLE5012B), ф. MDT www.aecsensors.com (TMR3101), ф-Nonvolatile Electronics (www.nve.com), которые могут обеспечить диапазон измерения углов (0-360)° при использовании двух датчиков. Однако технология формирования спин-вентильных или спин-туннельных структур очень сложна - требуется нанесение магнитных и немагнитных слоев толщиной ~ 10Å, использования для этого специализированных установок, необходимо формирование начального смещения и т.д.There are developments of sensors based on the giant magnetoresistive effect in spin-valve or spin-tunnel structures, made by companies, for example, f. Infineon, www.Infineon.com, (TLE5012B), f. MDT www.aecsensors.com (TMR3101), f-Nonvolatile Electronics (www.nve.com), which can provide an angle measurement range of (0-360)° using two sensors. However, the technology for forming spin-valve or spin-tunnel structures is very complex - it requires the deposition of magnetic and non-magnetic layers with a thickness of ~10Å, the use of specialized installations for this, the formation of an initial displacement, etc.

Фирма HL-Planartechnik разработала датчик KMR360 на основе анизотропных магниторезисторов, обеспечивающий измерение угла поворота в диапазоне 0-360° (www.hlplanar.com), представленный на фиг. 1. Датчик включает в себя три магниторезистивных моста 1, расположенных под углом 120° относительно друг друга и специализированную планарную катушку 2, напыленную поверх магниторезистивных мостов. Вращение магнита, закрепленного на валу, приводит к изменению сопротивления магниторезистивных мостов, на выходе которых формируются три сигнала синусоидальной формы, имеющие фазовый сдвиг относительно друг друга. Формируются отношения выходных сигналов магниторезистивных мостов, вычисляются три значения угла поворота ωn и среднее значение углов. Затем в планарную катушку подается импульс тока величиной +10 мА, измеряются выходные сигналы с трех сенсоров, далее подается импульс тока величиной -10 мА и проводятся повторные измерения. Вычисляются разности выходных сигналов для каждого сенсора при протекании тока в прямом и обратном направлениях. Если выходное напряжение и разность выходных напряжений, полученные с того или иного моста соответствующего углового сектора, выше или ниже определенных установленных пороговых значений, то принимается решение о добавлении (или вычитании) к значению среднего угла величины 180° и величины ωn. С целью повышения точности определения угла до уровня <1° для вычисления среднего значения угла кроме выходных напряжений с магниторезистивных мостов предлагается, дополнительно, использовать, выходные напряжения с полумостов.HL-Planartechnik has developed the KMR360 sensor based on anisotropic magnetoresistors, which provides rotation angle measurement in the range of 0-360° (www.hlplanar.com), shown in Fig. 1. The sensor includes three magnetoresistive bridges 1 located at an angle of 120° relative to each other and a specialized planar coil 2 deposited on top of the magnetoresistive bridges. Rotation of a magnet mounted on a shaft leads to a change in the resistance of magnetoresistive bridges, at the output of which three sinusoidal signals are formed, having a phase shift relative to each other. The ratios of the output signals of magnetoresistive bridges are formed, three values of the rotation angle ωn and the average value of the angles are calculated. Then a current pulse of +10 mA is applied to the planar coil, the output signals from three sensors are measured, then a current pulse of -10 mA is applied and repeated measurements are taken. The differences in output signals for each sensor are calculated when current flows in the forward and reverse directions. If the output voltage and the difference in output voltages received from one or another bridge of the corresponding angular sector are higher or lower than certain established threshold values, then a decision is made to add (or subtract) the value of the average angle of 180° and the value of ωn. In order to increase the accuracy of determining the angle to a level of <1°, to calculate the average value of the angle, in addition to the output voltages from magnetoresistive bridges, it is proposed to additionally use output voltages from half-bridges.

К основным недостаткам датчика углового положения можно отнести:The main disadvantages of the angular position sensor include:

- большое количество промежуточных вычисляемых параметров, необходимых для получения конечного результата, а именно 25;- a large number of intermediate calculated parameters necessary to obtain the final result, namely 25;

- большое количество логический операций при сравнении выходных напряжений и их разностей с пороговыми значениями, а именно, 18, что также усложняет алгоритм работы и снижает быстродействие;- a large number of logical operations when comparing output voltages and their differences with threshold values, namely 18, which also complicates the operation algorithm and reduces performance;

- необходимость в буферном каскаде для формирования импульсов тока прямой и обратной направленности, что приводит к увеличению потребляемой мощность и усложнению схемы управления;- the need for a buffer cascade to generate forward and reverse current pulses, which leads to an increase in power consumption and complexity of the control circuit;

- необходимость формирования планарной катушки, что приводит к усложнению топологии и процесса изготовления сенсора.- the need to form a planar coil, which leads to a complication of the topology and manufacturing process of the sensor.

Известен также датчик абсолютный датчик угла поворота на основе магниторезисторов, описанный в патенте № 2 436 037 С1, опубл. 10.12.2011 бюл. № 34, который выбран как прототип. Датчик обеспечивает измерение углов в диапазоне (0-360)° и включает магнитную систему фиг. 2, связанную с вращающимся валом, считывающее устройство, содержащее чувствительные элементы и схему обработки сигнала, установленное с зазором относительно магнитной системы. Магнитная система (фиг. 2) выполнена в виде кодирующего магнитного диска, содержащего дорожки с магнитными элементами 3, образующие код Грея, причем одна часть магнитных элементов сдвинута к наружной половине, а другая - к внутренней половине дорожек, а чувствительные элементы представляют линейку из магниторезистивных чувствительных элементов (МРЧЭ), которые выполнены в виде мостов Уинстона. Плечи моста пространственно разнесены так, что два противолежащих плеча моста противостоят магнитным элементам наружной половины дорожки, а два других противолежащих плеча - магнитным элементам внутренней половины дорожки. При вращении формируется разнополюсный выходной сигнал вследствие разнесения плеч моста, и раздельного воздействия на них полями магнитных элементов в строго определенной последовательности (код Грея). Эта последовательность обеспечивается воздействием кодирующего магнитного диска либо на одну половину моста Уинстона (активная единица), либо на вторую - (активный нуль). Датчик обладает следующими недостатками:An absolute rotation angle sensor based on magnetoresistors is also known, described in patent No. 2 436 037 C1, publ. 12/10/2011 bulletin. No. 34, which was chosen as a prototype. The sensor provides angle measurements in the range (0-360)° and includes a magnetic system in Fig. 2, connected to the rotating shaft, a reading device containing sensitive elements and a signal processing circuit installed with a gap relative to the magnetic system. The magnetic system (Fig. 2) is made in the form of a coding magnetic disk containing tracks with magnetic elements 3, forming a Gray code, with one part of the magnetic elements shifted to the outer half, and the other to the inner half of the tracks, and the sensitive elements represent a line of magnetoresistive sensitive elements (MRSE), which are made in the form of Winston bridges. The bridge arms are spatially spaced so that two opposing arms of the bridge oppose the magnetic elements of the outer half of the track, and the other two opposing arms oppose the magnetic elements of the inner half of the track. During rotation, a different-pole output signal is formed due to the separation of the bridge arms and the separate action on them by the fields of magnetic elements in a strictly defined sequence (Gray code). This sequence is ensured by the action of the encoding magnetic disk on either one half of the Winston bridge (active unit) or the second (active zero). The sensor has the following disadvantages:

- при заданном объеме датчика уменьшение размеров кодового диска или увеличение числа кодовых дорожек (разрядности диска) для повышения разрешающей способности и уменьшения погрешности в какой-то момент неизбежно приведет к перекрытию магнитных полей соседних кодовых дорожек диска и искажению кода Грея;- for a given sensor volume, reducing the size of the code disk or increasing the number of code tracks (disk capacity) to increase resolution and reduce error at some point will inevitably lead to overlapping of the magnetic fields of adjacent code tracks of the disk and distortion of the Gray code;

- аналогичная ситуация возникает и с линейкой МРЧЭ, при уменьшении размеров которых и расстояний между соседними МРЧЭ диаграммы направленности соседних МРЧЭ начнут перекрываться и это приведет к ложным срабатываниям и выдачи не верной последовательности кода;- a similar situation arises with a line of MRFCs, when the size of which and the distances between neighboring MRFCs decrease, the radiation patterns of neighboring MRFCs will begin to overlap and this will lead to false alarms and the issuance of an incorrect code sequence;

- сложная технология формирования магнитной системы диска (сегментов кодового диска), с одновременным радиальным намагничиванием сегментов.- complex technology for forming a magnetic disk system (code disk segments), with simultaneous radial magnetization of the segments.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание датчика на основе анизотропных магниторезистивных сенсоров, обеспечивающего измерение углового положения вращающегося механизма в диапазоне (0-360)°, обладающего высокой разрядностью и низкой погрешностью, помехозащищенностью с более простой конструкцией и схемой обработки сигнала, с минимальным количеством логических операций.The problem to be solved by the proposed technical solution is the creation of a sensor based on anisotropic magnetoresistive sensors, providing measurement of the angular position of a rotating mechanism in the range (0-360)°, having a high bit capacity and low error, noise immunity with a simpler design and signal processing circuit , with a minimum number of logical operations.

Техническим результатом изобретения является увеличение разрядности (разрешающей способности) и уменьшение погрешности датчика, высокая помехозащищенность, повышение технологичности изготовления и быстродействия, упрощение конструкции датчика и схемы обработки сигнала.The technical result of the invention is to increase the bit depth (resolution) and reduce the sensor error, high noise immunity, increase manufacturability and performance, simplify the design of the sensor and the signal processing circuit.

Технический результат достигается тем, что в абсолютном датчике угла поворота, включающем магнитную систему, жестко связанную с вращающимся механизмом, считывающее устройство, состоящее из четырех магниторезистивных чувствительных элементов выполненных в виде мостов Уинстона, расположенное соосно и с зазором относительно магнитной системы, и схему обработки, магнитная система выполнена в виде диска с вмонтированными в него двумя постоянными магнитами, один из которых прямоугольной формы с осевой намагниченностью, расположенный в центре диска, другой - дугообразный с радиальной намагниченностью, выполненный в форме дуги полуокружности с центром, совпадающим с центром диска. Два из четырех магниторезистивных чувствительных элементов размещены в центре считывающего устройства, имеют общий центр и развернуты под углом 45°относительно друг друга. Третий и четвертый расположены по окружности относительно центра с радиусом, равным радиусу дугообразного магнита магнитной системы, причем одна пара противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента разнесена от другой симметрично относительно центра на расстояние диаметра дугообразного магнита. Линии, соединяющие первую пару противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента, центр первого или второго магниторезистивного чувствительного элемента и центр четвертого магниторезистивного чувствительного элемента образуют один равнобедренный прямоугольный треугольник. Линии, соединяющие вторую пару противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента, центр первого или второго магниторезистивного чувствительного элемента и центр четвертого магниторезистивного чувствительного элемента второй равнобедренный прямоугольный треугольник.The technical result is achieved by the fact that in an absolute rotation angle sensor, including a magnetic system rigidly connected to the rotating mechanism, a reading device consisting of four magnetoresistive sensitive elements made in the form of Winston bridges, located coaxially and with a gap relative to the magnetic system, and a processing circuit, The magnetic system is made in the form of a disk with two permanent magnets built into it, one of which is rectangular in shape with axial magnetization, located in the center of the disk, the other is arc-shaped with radial magnetization, made in the form of a semicircle arc with a center coinciding with the center of the disk. Two of the four magnetoresistive sensing elements are located in the center of the reading device, have a common center and are rotated at an angle of 45° relative to each other. The third and fourth are located in a circle relative to the center with a radius equal to the radius of the arc-shaped magnet of the magnetic system, and one pair of opposite arms of the bridge of the third sensitive element is spaced from the other symmetrically relative to the center at a distance of the diameter of the arc-shaped magnet. The lines connecting the first pair of opposite arms of the bridge of the third sensing element, the center of the first or second magnetoresistive sensing element and the center of the fourth magnetoresistive sensing element form one isosceles right triangle. Lines connecting the second pair of opposing arms of the third sensing element bridge, the center of the first or second magnetoresistive sensing element, and the center of the fourth magnetoresistive sensing element are a second isosceles right triangle.

На фигуре 1 представлена топология трех магниторезисторов датчика KMR360, где:Figure 1 shows the topology of the three magnetoresistors of the KMR360 sensor, where:

1 - МРЧЭ, расположенные под углом 120° относительно друг друга;1 - MRSE located at an angle of 120° relative to each other;

2 - планарная катушка.2 - planar coil.

На фигуре 2 показан магнитный диск с кодом Грея, где 3 - дорожки, расположенные концентрично относительно центра диска, формирующие код Грея.Figure 2 shows a magnetic disk with a Gray code, where 3 are tracks located concentrically relative to the center of the disk, forming a Gray code.

Предлагаемый абсолютный датчик угла поворота поясняют фигуры 3-9.The proposed absolute rotation angle sensor is illustrated in Figures 3-9.

На фигуре 3 показан диск с двумя постоянными магнитами.Figure 3 shows a disk with two permanent magnets.

На фигуре 4 показана топология из четырех МРЧЭ, выполненных в виде мостов Уинстона, и схема их размещения и соединений.Figure 4 shows a topology of four MRSEs, made in the form of Winston bridges, and a diagram of their placement and connections.

На фигуре 5 показана топология первого и второго МРЧЭ, имеющих общий центр и развернутых под углом 45°относительно друг друга.Figure 5 shows the topology of the first and second MRSE, having a common center and deployed at an angle of 45° relative to each other.

На фигуре 6 показана топология третьего и четвертого МРЧЭ. Их топологии аналогичны, отличие состоит в том, что противолежащие плечи моста третьего МРЧЭ пространственно разнесены относительно друг друга.Figure 6 shows the topology of the third and fourth MRSE. Their topologies are similar, the difference is that the opposite arms of the bridge of the third MRSE are spatially spaced relative to each other.

На фигуре 7 приведены элементы предлагаемого абсолютного датчика угла их взаимное расположение, стрелкой показано направление вращения диска.Figure 7 shows the elements of the proposed absolute angle sensor and their relative positions; the arrow shows the direction of rotation of the disk.

На фигуре 8 представлена функциональная схема датчика угла поворота.Figure 8 shows a functional diagram of the rotation angle sensor.

На фигурах 3-8 введены следующие обозначения:In figures 3-8 the following notations are introduced:

4 - магнит прямоугольной формы с осевой намагниченностью, расположенный в центре диска;4 - rectangular magnet with axial magnetization, located in the center of the disk;

5 - дугообразный магнит с радиальной намагниченностью;5 - arc-shaped magnet with radial magnetization;

6 - первый МРЧЭ (МРЧЭ-1);6 - first MRChE (MRChE-1);

7 - второй МРЧЭ (МРЧЭ-2);7 - second MRChE (MRChE-2);

8 - третий МРЧЭ (МРЧЭ-3);8 - third MRChE (MRChE-3);

9 - четвертый МРЧЭ (МРЧЭ-4);9 - fourth MRChE (MRChE-4);

10 - одна пара противолежащих плеч моста третьего МРЧЭ;10 - one pair of opposite arms of the bridge of the third MRSE;

11 - вторая пара противолежащих плеч моста третьего МРЧЭ;11 - second pair of opposite arms of the bridge of the third MRSE;

12 - дифференциальный усилитель;12 - differential amplifier;

13 - программируемый усилитель;13 - programmable amplifier;

14 - компаратор;14 - comparator;

15 - делитель;15 - divider;

16 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);16 - analog-to-digital converter (ADC);

17 - устройство обработки (микроконтроллер);17 - processing device (microcontroller);

18- приемо-передатчик (интерфейс обмена),18- transceiver (exchange interface),

На фигуре 9 приведены выходные сигналы после обработки в зависимости от угла поворота, где:Figure 9 shows the output signals after processing depending on the rotation angle, where:

а, 6 - выходные сигналы с МРЧЭ-1 и МРЧЭ-2, соответственно, после усиления;a, 6 - output signals from MRChE-1 and MRChE-2, respectively, after amplification;

в, г - выходные сигналы с МРЧЭ-3 и МРЧЭ-4, соответственно, после обработки компараторами.c, d - output signals from MRChE-3 and MRChE-4, respectively, after processing by comparators.

Предлагаемый абсолютный датчик угла поворота устроен следующим образом.The proposed absolute rotation angle sensor is designed as follows.

Датчик включает магнитную систему, жестко связанную с вращающимся механизмом. Магнитная система выполнена в виде диска с вмонтированными в него двумя постоянными магнитами (фиг. 3), один -прямоугольной формы 4 с осевой намагниченностью, расположенный в центре диска, другой - дугообразный 5 с радиальной намагниченностью, выполненный в форме дуги полуокружности с центром, совпадающим с центром диска.The sensor includes a magnetic system rigidly connected to a rotating mechanism. The magnetic system is made in the form of a disk with two permanent magnets built into it (Fig. 3), one is rectangular 4 with axial magnetization, located in the center of the disk, the other is arcuate 5 with radial magnetization, made in the form of a semicircle arc with the center coinciding with the center of the disk.

Считывающее устройство (фиг. 4), состоит из четырех магниторезистивных чувствительных элементов 6-9, выполненных в виде мостов Уинстона. Первый и второй МРЧЭ 6 и 7 размещены в центре считывающего устройства, имеют общий центр и развернуты под углом 45° относительно друг друга (фиг. 5). Третий МРЧЭ 8 и четвертый МРЧЭ 9 расположены по окружности относительно центра с радиусом, равным радиусу дугообразного магнита (фиг. 4) и противостоят ему. Одна пара противолежащих плеч 10 моста третьего МРЧЭ 8 разнесена от другой пары плеч 11 моста симметрично относительно центра на расстояние диаметра дугообразного магнита (фиг. 4).The reading device (Fig. 4) consists of four magnetoresistive sensitive elements 6-9, made in the form of Winston bridges. The first and second MRSE 6 and 7 are located in the center of the reading device, have a common center and are rotated at an angle of 45° relative to each other (Fig. 5). The third MRSE 8 and the fourth MRSE 9 are located in a circle relative to the center with a radius equal to the radius of the arc-shaped magnet (Fig. 4) and oppose it. One pair of opposite arms 10 of the bridge of the third MRSE 8 is spaced apart from the other pair of arms 11 of the bridge symmetrically relative to the center at a distance of the diameter of the arcuate magnet (Fig. 4).

Линии, соединяющие первую пару плеч 10 моста третьего МРЧЭ 8, центр первого 6 (или второго 7) МРЧЭ и центр четвертого МРЧЭ 9 образуют один равнобедренный прямоугольный треугольник, а линии, соединяющие вторую пару плеч 11 моста третьего МРЧЭ 8, центр первого 6 (или второго 7) МРЧЭ и центр четвертого МРЧЭ 9 образуют второй равнобедренный прямоугольный треугольник.The lines connecting the first pair of arms 10 of the bridge of the third MRSE 8, the center of the first 6 (or second 7) MRSE and the center of the fourth MRSE 9 form one isosceles right triangle, and the lines connecting the second pair of arms 11 of the bridge of the third MRSE 8, the center of the first 6 (or the second 7) MRSE and the center of the fourth MRSE 9 form a second isosceles right triangle.

Считывающее устройство расположено соосно и с зазором относительно магнитной системы.The reading device is located coaxially and with a gap relative to the magnetic system.

Схема обработки состоит из элементов 12-18 (фиг. 8).The processing circuit consists of elements 12-18 (Fig. 8).

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в абсолютном датчике угла поворота формируется четыре сигнала (по одному с каждого МРЧЭ). При этом для определения угла поворота, используются сигналы синусоидальной формы с двух магниторезистивных чувствительных элементов 6, 7, расположенных в центре считывающего устройства, зависящие от направления магнитного поля, оси чувствительности которых находятся под углом 45° относительно друг друга и с помощью которых можно однозначно определить угол поворота в диапазоне ±90° через функцию арктангенса. А для устранения неоднозначности за пределами данного диапазона ±90° используются сигналы с третьего МРЧЭ 8 и четвертого МРЧЭ 9, расположенных на расстоянии радиуса дугообразного магнита от центра. Третий МРЧЭ 8 и четвертый МРЧЭ 9 работают в режиме пороговых датчиков и совместно с дугообразным магнитом 5, обеспечивают получение информации в цифровом коде, о том в какой полуокружности (четверти окружности) происходит измерение угла поворота магнитного диска, устраняя тем самым неоднозначность в измерениях. При этом воздействие магнита 5 диска либо на одну пару противолежащих плеч 10, либо на другую 11 третьего МРЧЭ 8 обеспечивает формирование либо активной единицы, либо активного нуля. Четвертый МРЧЭ 9 работает в режиме активной единицы или пассивного нуля.The essence of the proposed technical solution is that four signals are generated in the absolute rotation angle sensor (one from each MRSE). In this case, to determine the angle of rotation, sinusoidal signals are used from two magnetoresistive sensitive elements 6, 7 located in the center of the reading device, depending on the direction of the magnetic field, the sensitivity axes of which are at an angle of 45° relative to each other and with the help of which it is possible to unambiguously determine rotation angle in the range of ±90° via the arctangent function. And to eliminate ambiguity outside this range of ±90°, signals from the third MRSE 8 and the fourth MRSE 9, located at a distance of the radius of the arc-shaped magnet from the center, are used. The third MRSE 8 and the fourth MRSE 9 operate in the threshold sensor mode and, together with the arc-shaped magnet 5, provide information in a digital code about in which semicircle (quarter circle) the angle of rotation of the magnetic disk is measured, thereby eliminating ambiguity in the measurements. In this case, the influence of the magnet 5 of the disk either on one pair of opposite arms 10 or on the other 11 of the third MRSE 8 ensures the formation of either an active unit or an active zero. The fourth MRSE 9 operates in active one or passive zero mode.

Работу устройства поясняет схема, приведенная на фиг. 8. The operation of the device is illustrated by the diagram shown in Fig. 8.

Диск с магнитами приводится в движение валом, при вращении диска магниты 4, 5 воздействуют на магниторезистивные чувствительные элементы 6-9 (фиг. 7). Разностные сигналы с первого и второго МРЧЭ 6 и 7, имеющие синусоидальную форму, поступают на первый каскад предварительного усиления, состоящих из программируемых дифференциальных усилителей 12. Коэффициент усиления каскада устанавливается микроконтроллером 17 при подаче двоичного кода, соответствующего необходимому уровню усиления. Далее сигнал поступает на второй каскад усиления, состоящий из делителя на 2,5 В 15, и программируемого усилителя 13. Делитель 15 смещает среднюю точку сигнала с О В до 2,5 В. С помощью микроконтроллера 11, коэффициент усиления второго каскада выбирается таким образом, чтобы его амплитуда была максимально приближена к диапазону от 0 до 5 В. На выходе второго каскада усиления сигналы с 6 и 7 имеют вид, представленные на фиг. 9 а и фиг. 9 6, соответственно. После усиления, сигнал преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП 16 и поступает в микроконтроллер 17 для дальнейшей обработки, а именно, вычисления функции арктангенса.The disk with magnets is driven by the shaft; when the disk rotates, magnets 4, 5 act on magnetoresistive sensitive elements 6-9 (Fig. 7). The difference signals from the first and second MRFE 6 and 7, having a sinusoidal shape, are supplied to the first pre-amplification stage, consisting of programmable differential amplifiers 12. The gain of the stage is set by the microcontroller 17 when submitting a binary code corresponding to the required amplification level. Next, the signal goes to the second amplification stage, consisting of a 2.5 V divider 15, and a programmable amplifier 13. Divider 15 shifts the midpoint of the signal from 0 V to 2.5 V. Using microcontroller 11, the gain of the second stage is selected in this way , so that its amplitude is as close as possible to the range from 0 to 5 V. At the output of the second amplification stage, signals from 6 and 7 have the form shown in Fig. 9 a and fig. 9 6, respectively. After amplification, the signal is converted into digital form using ADC 16 and enters microcontroller 17 for further processing, namely, calculating the arctangent function.

При прохождении дугообразного магнита 5 над парой плеч 10 МРЧЭ 8 меняется сопротивление в диагонали моста и за счет разбаланса моста появляется выходной сигнал положительного значения, формируя активную единицу, а при прохождении магнита над парой плеч 11 МРЧЭ 8 -отрицательного значения, формирую активный ноль. Аналогичная ситуация происходит при прохождении дугового магнита над элементом 9, только единица будет активной, а ноль пассивным.When an arcuate magnet 5 passes over a pair of arms 10 of the MRSE 8, the resistance in the diagonal of the bridge changes and, due to the imbalance of the bridge, an output signal of a positive value appears, forming an active unit, and when a magnet passes over a pair of arms 11 of the MRSE 8 of a negative value, I form an active zero. A similar situation occurs when an arc magnet passes over element 9, only one will be active and zero will be passive.

Выходные сигналы с МРЧЭ 8 и 9 поступают на компараторы 14, выходные каскады которых настроены на уровень выходного сигнала 3,3 В фиг. 9 в, г (ТТЛ-уровень). Таким образом, формируется двоичная кодировка каждой четверти окружности, в которой происходит определение угла (фиг. 9). Далее, сигнал с компараторов 14 (логические уровни нуля или единицы) поступает в микроконтроллер 17 для дальнейшей обработки.The output signals from the MRSE 8 and 9 are supplied to comparators 14, the output stages of which are configured to an output signal level of 3.3 V FIG. 9 c, d (TTL level). Thus, a binary encoding is formed for each quarter of the circle in which the angle is determined (Fig. 9). Next, the signal from the comparators 14 (logical levels of zero or one) enters the microcontroller 17 for further processing.

В микроконтроллере 17 по преобразованным результатам измерений вначале вычисляется угол α в диапазоне ±90° по формуле:In microcontroller 17, based on the converted measurement results, the angle α is first calculated in the range ±90° using the formula:

где B7 и B2 - обработанные и преобразованные сигналы с элементов 6 и 7, соответственно.where B7 and B2 are processed and converted signals from elements 6 and 7, respectively.

В зависимости от значений а (или знаков B1 и B2), цифровых сигналов с элементов 8 (B3) и 9 (B4) определяется квадрант, в котором находится угол согласно таблице 1, и происходит его уточнение, тем самым обеспечивая вычисление угла поворота в диапазоне от 0° до 360°. Уточнение угла происходит следующим образом. По значениям B3 и B4 определяется номер k (от 0 до 3), соответствующий квадранту:Depending on the values of a (or signs B1 and B2), digital signals from elements 8 (B3) and 9 (B4), the quadrant in which the angle is located according to Table 1 is determined, and it is refined, thereby ensuring the calculation of the angle of rotation in the range from 0° to 360°. The angle is specified as follows. Based on the values of B3 and B4, the number k (from 0 to 3) corresponding to the quadrant is determined:

k=2⋅B3+B4.k=2⋅B3+B4.

Вектор добавок к углу α имеет вид:The vector of additions to angle α has the form:

Dob[0÷3]={ 0,π, 2π, π}.Dob[0÷3]={ 0,π, 2π, π}.

В соответствии со значением и таблицей 1 определяется добавка к значению α.In accordance with the value and Table 1, the addition to the value of α is determined.

В связи с тем, что возможно несоответствие вблизи углов 0°, 90°, 180°, 360°, где B1>0.8 (вблизи 0° и 180°) или B1<-0.8 (вблизи 90° и 270°) и где происходит смена значений B3 и B4, перед вычислением полного угла необходимо проверить соответствие значений α значениям B3, B4. Признак такого несоответствия, выражаемый условием: Due to the fact that there may be a discrepancy near the angles 0°, 90°, 180°, 360°, where B1>0.8 (near 0° and 180°) or B1<-0.8 (near 90° and 270°) and where it occurs changing the values of B3 and B4, before calculating the total angle, it is necessary to check the correspondence of the α values to the values of B3, B4. A sign of such a discrepancy, expressed by the condition:

можно не проверять, поскольку в такое условие входит 11 логических операций, а всегда для значений B1, близких к экстремумам, выполнять следующее:You don’t have to check it, since such a condition includes 11 logical operations, but always do the following for values of B1 close to extrema:

После проверки и возможного изменения значения полный угол вычисляется по формуле:After checking and possibly changing the value, the total angle is calculated using the formula:

A=Dob [k]- α.A=Dob [k]- α.

В результате на выходе через приемо-передатчик 18 выдается сигнал в цифровом коде или аналоговом виде, соответствующий углу поворота (фиг. 9).As a result, a signal in digital code or analog form corresponding to the rotation angle is output through the transceiver 18 (Fig. 9).

Предлагаемый датчик угла надежно работает при воздействии магнитного поля с частотой до 100 кГц. В качестве магнитов диска используются магнитопласты соответствующей формы с индукцией ≥8 мТл, что обеспечивает помехозащищенность. Скорость работы, в конечном счете, будет определяться быстродействием применяемых электрорадиоизделий. Погрешность (с учетом систематической составляющей) определения угла не превысила 0,1°. Разрешающая способность датчика при прочих равных условиях определяется разрядностью и характеристиками АЦП. Для 16-ти разрядного АЦП она составит 0,005°.The proposed angle sensor operates reliably when exposed to a magnetic field with a frequency of up to 100 kHz. Magnetoplasts of the appropriate shape with an induction of ≥8 mT are used as disk magnets, which ensures noise immunity. The speed of operation will ultimately be determined by the performance of the electrical and radio products used. The error (taking into account the systematic component) in determining the angle did not exceed 0.1°. The resolution of the sensor, all other things being equal, is determined by the bit capacity and characteristics of the ADC. For a 16-bit ADC it will be 0.005°.

Таким образом, осуществляется принцип действия абсолютного датчика - определение положения вала, не только в динамическом случае, но и в статическом положении.Thus, the principle of operation of the absolute sensor is implemented - determining the position of the shaft, not only in the dynamic case, but also in the static position.

Высокая радиационная стойкость магниторезистивных чувствительных элементов и магнитного диска обеспечивается применяемыми для их изготовления материалами.The high radiation resistance of magnetoresistive sensitive elements and the magnetic disk is ensured by the materials used for their manufacture.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать абсолютный датчик угла поворота на основе анизотропных магниторезистивных сенсоров с малыми размерами, с компенсацией электрических и магнитных помех, обеспечивающий измерение углового положения вращающегося механизма в диапазоне от 0 до 360°, обладающего высокой разрядностью и низкой погрешностью, помехозащищенностью.Thus, the proposed technical solution makes it possible to create an absolute rotation angle sensor based on anisotropic magnetoresistive sensors with small dimensions, with compensation for electrical and magnetic interference, providing measurement of the angular position of a rotating mechanism in the range from 0 to 360°, with high resolution and low error, noise immunity .

Claims (1)

Абсолютный датчик угла поворота, включающий магнитную систему, жестко связанную с вращающимся механизмом, считывающее устройство, состоящее из четырех магниторезистивных чувствительных элементов, выполненных в виде мостов Уинстона, расположенное соосно с зазором относительно магнитной системы, и схему обработки, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде диска с вмонтированными в него двумя постоянными магнитами, один из которых прямоугольной формы с осевой намагниченностью, расположенный в центре диска, другой - дугообразный с радиальной намагниченностью, выполненный в форме дуги полуокружности с центром, совпадающим с центром диска, два из четырех магниторезистивных чувствительных элементов размещены в центре считывающего устройства, имеют общий центр и развернуты под углом 45° относительно друг друга, а третий и четвертый расположены по окружности относительно центра с радиусом, равным радиусу дугообразного магнита магнитной системы, причем одна пара противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента разнесена от другой симметрично относительно центра на расстояние диаметра дугообразного магнита, причем линии, соединяющие первую пару противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента, центр первого или второго магниторезистивного чувствительного элемента и центр четвертого магниторезистивного чувствительного элемента образуют один равнобедренный прямоугольный треугольник, а линии, соединяющие вторую пару противолежащих плеч моста третьего чувствительного элемента, центр первого или второго магниторезистивного чувствительного элемента и центр четвертого магниторезистивного чувствительного элемента - второй равнобедренный прямоугольный треугольник.An absolute rotation angle sensor, including a magnetic system rigidly connected to the rotating mechanism, a reading device consisting of four magnetoresistive sensitive elements made in the form of Winston bridges, located coaxially with a gap relative to the magnetic system, and a processing circuit, characterized in that the magnetic system is made in the form of a disk with two permanent magnets built into it, one of which is rectangular in shape with axial magnetization, located in the center of the disk, the other is arc-shaped with radial magnetization, made in the form of a semicircle arc with a center coinciding with the center of the disk, two of the four magnetoresistive sensitive elements are located in the center of the reading device, have a common center and are rotated at an angle of 45° relative to each other, and the third and fourth are located in a circle relative to the center with a radius equal to the radius of the arc-shaped magnet of the magnetic system, and one pair of opposite arms of the bridge of the third sensitive element is spaced from the other is symmetrical relative to the center at a distance of the diameter of the arc-shaped magnet, and the lines connecting the first pair of opposite arms of the bridge of the third sensitive element, the center of the first or second magnetoresistive sensitive element and the center of the fourth magnetoresistive sensitive element form one isosceles right triangle, and the lines connecting the second pair of opposite shoulders the bridge of the third sensing element, the center of the first or second magnetoresistive sensing element and the center of the fourth magnetoresistive sensing element - a second isosceles right triangle.