李 鋒,張昆峰

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009)

角度傳感器是空空導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)的重要位置反饋元器件[1],安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上[2],對(duì)響應(yīng)速度、精度、可靠性、小體積、長(zhǎng)壽命、抗干擾能力有較高的要求[3]。

電位器為接觸式傳感器[4],存在機(jī)械磨損及密封、壽命、可靠性不足等問(wèn)題,旋轉(zhuǎn)變壓器[5]和光電編碼器[6]體積較大和其他缺點(diǎn),難以滿足未來(lái)空空導(dǎo)彈舵機(jī)越來(lái)越嚴(yán)酷的使用環(huán)境需求。磁電編碼器采用磁性元件,基于霍爾效應(yīng)[7],構(gòu)成部件少,結(jié)構(gòu)緊湊,易于實(shí)現(xiàn)小型化、高精度、高分辨率,具有抗振動(dòng)、抗沖擊特性,以其突出優(yōu)點(diǎn)在各種傳感器中具有明顯優(yōu)勢(shì)[8]。

磁電編碼器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)決定了其輸出精度和性能,進(jìn)行編碼器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì),確保滿足技術(shù)要求,并進(jìn)行裝配誤差仿真分析,對(duì)進(jìn)一步提高編碼器精度具有十分重要的意義。磁電編碼器技術(shù)要求如下:單磁極,本體直徑不大于15 mm,線性度0.3%,數(shù)字式分辨率12 bit,重復(fù)測(cè)量誤差≤2 LSB。

1 磁電編碼器原理與算法

1.1 磁電編碼器原理

磁電編碼器通過(guò)霍爾陣列檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布,并從磁場(chǎng)變化解析出角位移信息[9],如圖1所示。

圖1 磁電編碼器工作原理框圖

磁電編碼器磁敏器件布置示意圖如圖2所示。霍爾器件只對(duì)垂直磁場(chǎng)Z敏感,對(duì)X、Y磁場(chǎng)均不敏感。當(dāng)永磁體的轉(zhuǎn)角固定時(shí),四個(gè)霍爾器件感應(yīng)到的電壓也為固定值,根據(jù)電壓的大小計(jì)算出永磁體的轉(zhuǎn)角[10]。

圖2 磁電編碼器磁敏器件布置示意圖

1.2 采集算法

永磁體勻速旋轉(zhuǎn)一周四個(gè)霍爾器件感應(yīng)出的正弦波形的電壓,相位相差90°[11],如圖3所示,將兩組對(duì)角的電壓分別定義為sin_P、sin_N,cos_P、cos_N。

圖3 霍爾陣列感應(yīng)電壓示意

設(shè)各點(diǎn)Z方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Ha、Hb、Hc、Hd。將四路電壓合并為兩路(該過(guò)程可抵消一部分安裝誤差),得到正弦值與余弦值:

Vs=sin_P-sin_N=Ha-HcVc=cos_P-cos_N=Hb-Hd

根據(jù)Vs、Vc的正負(fù)與大小,可以將一周360°分為8個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間45°,Vs、Vc的反正切值即為霍爾芯片反饋的角度值,計(jì)算方法如表1所示。

表1 霍爾芯片感應(yīng)角度計(jì)算方法

2 磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

磁鐵材料選用釤鈷永磁(Sm2Co17),徑向充磁。磁電編碼器芯片選用iC-Haus公司的iC-MA3,封裝大小為4.0 mm×4.0 mm×0.9 mm,工作電壓為5 V,霍爾感應(yīng)點(diǎn)排列在邊長(zhǎng)為2 mm的正方形四個(gè)角上,磁場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)范圍為15 kA/m～65 kA/m。在霍爾芯片和磁鐵材料選定的情況下,為確定磁電編碼器的磁場(chǎng),需要對(duì)磁鐵尺寸、磁鐵與芯片之間的氣隙進(jìn)行電磁仿真分析與設(shè)計(jì)。仿真軟件為Maxwell 17.2。

考慮磁電編碼器軸承尺寸的限制和實(shí)際需求,初步選用半徑2 mm,厚度分別為4 mm和2 mm的兩種磁鐵,進(jìn)行電磁場(chǎng)靜態(tài)仿真分析和設(shè)計(jì)。磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)面為內(nèi)徑1.0 mm、寬度0.1 mm的圓環(huán),用于模擬芯片的磁感應(yīng)位置。計(jì)算得到對(duì)應(yīng)Z方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度,如表2所示。

表2 磁鐵尺寸、氣隙設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

圖4 平面上磁場(chǎng)強(qiáng)度

結(jié)合仿真結(jié)果,考慮空空導(dǎo)彈舵機(jī)平臺(tái)實(shí)際情況和抗磁場(chǎng)干擾需要,并考慮空間尺寸限制和芯片霍爾感應(yīng)性能,以磁鐵厚度2 mm、氣隙1.6 mm作為磁電編碼器的初步設(shè)計(jì)方案。

監(jiān)測(cè)霍爾芯片對(duì)應(yīng)平面上磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況仿真結(jié)果如圖4所示,平面半徑為1.1 mm?？梢钥闯龃艌?chǎng)強(qiáng)度最大位置位于圓盤的邊緣位置,與霍爾芯片的四個(gè)感應(yīng)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

磁鐵厚度2 mm、氣隙1.6 mm時(shí),圓環(huán)監(jiān)測(cè)面上Z方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度H如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)面Z方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度H

針對(duì)該設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真分析。設(shè)磁鐵以600 deg/s的速度旋轉(zhuǎn),觀察監(jiān)測(cè)面上磁場(chǎng)強(qiáng)度和向量方向的變化,360°時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度向量如圖6 所示,磁場(chǎng)強(qiáng)度Z項(xiàng)分量如圖7所示。仿真過(guò)程中監(jiān)測(cè)面上磁場(chǎng)強(qiáng)度和向量方向符合要求。

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度向量

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度

通過(guò)磁場(chǎng)靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真,最終選用磁鐵厚度為2 mm、氣隙1.6 mm作為磁電編碼器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁電編碼器主要由軸、端蓋、軸承、殼體、磁鐵、霍爾電路板等部分組成[12],設(shè)計(jì)總高度20 mm,殼體直徑13 mm,殼體厚度0.5 mm,軸凸出殼體10 mm,如圖8所示。殼和端蓋為鋁合金;軸、軸承、磁鐵固定套等為不銹鋼。

圖8 磁電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比反饋角度的理論值與仿真值來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。設(shè)定磁以600 deg/s的速度旋轉(zhuǎn),每 1 ms 理論上磁電編碼器的反饋值應(yīng)為0.6°。在仿真時(shí)設(shè)定同樣的轉(zhuǎn)速,每1ms計(jì)算一次反饋角度,仿真曲線如圖9所示,仿真值和理論值高度重合。

圖9 磁電編碼器反饋角度的仿真曲線

3.3 實(shí)物裝配與驗(yàn)證

裝配了1個(gè)單磁極磁電編碼器,如圖10(a)所示。利用成都科奧達(dá)DT005P-7200P/RWZ05P光電編碼器(7 200線,精度0.05°)對(duì)編碼器成件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試,利用上位機(jī)采集反饋角度。檢測(cè)系統(tǒng)如圖10(b)所示。

圖10 編碼器實(shí)物及其檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)物測(cè)試結(jié)果如表3所示,擬合曲線如圖11所示,可以得出:編碼器的獨(dú)立線性度為0.27%,旋轉(zhuǎn)360°時(shí)的重復(fù)測(cè)量誤差≤2LSB,磁電編碼器仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果滿足誤差要求。

表3 磁電編碼器實(shí)物測(cè)試結(jié)果 (°)

圖11 編碼器輸出結(jié)果的擬合

4 裝配誤差分析

研究磁電編碼器裝配誤差主要表現(xiàn)為磁鐵與霍爾芯片的位置誤差,主要包含三個(gè)方面:①磁鐵與霍爾傳感器安裝位置發(fā)生同心偏移;②霍爾傳感器安裝平面以bd線為中心發(fā)生對(duì)角偏轉(zhuǎn);③霍爾傳感器安裝平面以ab線與cd線之間的中軸線為中心發(fā)生對(duì)稱偏轉(zhuǎn)。

設(shè)定磁鐵以600 deg/s的速度旋轉(zhuǎn),計(jì)算步長(zhǎng),每1 ms存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù),磁鐵旋轉(zhuǎn)360°,進(jìn)行磁電編碼器的裝配誤差分析。

4.1 同心偏移

假設(shè)磁鐵安裝位置中心沿著X軸負(fù)向分別偏移了0.2 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.0mm,如圖12所示。反饋結(jié)果仿真曲線如圖13所示.截取0～90°之間的仿真曲線的局部放大圖,如圖14所示。

圖12 同心偏移示意圖

圖13 同心偏移仿真曲線

圖14 同心偏移角度局部放大圖

從圖13、圖14可以看出:①同心偏移越大,磁電編碼器輸出值的誤差越大,且輸出值交替變化;②發(fā)生同心偏移的情況下,在45°、135°、225°、315°位置時(shí),磁電編碼器的輸出值誤差最大;③同心偏移0.2 mm以內(nèi),磁電編碼器的輸出值誤差最大不超過(guò)0.8°;偏移0.5 mm時(shí)誤差最大為1.8°;偏移0.7 mm時(shí)誤差最大為2.5°,偏移1.0 mm時(shí)誤差最大為12.7°?？傻贸?同心偏移0.2 mm以內(nèi)不影響磁電編碼器的使用;同心偏移超過(guò)0.5 mm后,磁電編碼器輸出值不準(zhǔn)確。

4.2 對(duì)角偏轉(zhuǎn)

假設(shè)在裝配過(guò)程中,霍爾傳感器安裝位置以bd線為中心分別偏轉(zhuǎn)了2°、5°、10°、15°,霍爾感應(yīng)點(diǎn)由a、c分別偏轉(zhuǎn)到a′、c′位置,如圖15所示。反饋結(jié)果仿真曲線如圖16所示。截取0～90°之間的仿真曲線的局部放大圖,如圖17所示。

圖15 對(duì)角偏轉(zhuǎn)示意圖

圖16 對(duì)角偏轉(zhuǎn)仿真曲線

圖17 對(duì)角偏轉(zhuǎn)角度局部放大圖

從圖16、圖17可以看出:①對(duì)角偏轉(zhuǎn)角度越大,輸出值誤差越大;且輸出值交替變化;②發(fā)生對(duì)角偏轉(zhuǎn)后,在45°、135°、225°、315°位置時(shí),磁電編碼器的輸出值誤差最大;③對(duì)角偏轉(zhuǎn)2°以內(nèi),輸出值誤差最大不超過(guò)0.2°;偏轉(zhuǎn)5°時(shí)誤差最大為0.98°;偏轉(zhuǎn)10°時(shí)誤差最大為2.7°,偏轉(zhuǎn)15°時(shí)誤差最大為5.7°。可得出:對(duì)角偏轉(zhuǎn)5°以內(nèi)不影響磁電編碼器的使用;同心偏移超過(guò)5°后,磁電編碼器輸出值不準(zhǔn)確。

圖18 對(duì)稱偏轉(zhuǎn)示意圖

4.3 對(duì)稱偏轉(zhuǎn)

假設(shè)霍爾傳感器安裝平面以ab線與cd線之間的中軸線為中心發(fā)生了對(duì)稱偏轉(zhuǎn),分別偏轉(zhuǎn)了2°、5°、7°、10°,如圖18所示。仿真曲線如圖19所示。

圖19 對(duì)稱偏轉(zhuǎn)仿真曲線

從圖19可以看出:在裝配過(guò)程中,霍爾傳感器發(fā)生一定范圍內(nèi)的對(duì)稱偏轉(zhuǎn)情況下,磁電編碼器輸出值誤差較小,這是由反正切的采集計(jì)算方法決定的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)磁電編碼器進(jìn)行磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和仿真分析,設(shè)計(jì)了一款小型高精度磁電編碼器,滿足線性度0.3%、分辨率12 bit、重復(fù)測(cè)量誤差≤2 LSB的使用要求。

通過(guò)對(duì)磁電編碼器的裝配誤差進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析,研究了存在同心偏移、對(duì)角偏轉(zhuǎn)、對(duì)稱偏轉(zhuǎn)等形式裝配誤差情況下磁電編碼器的輸出特性:同心偏移或者對(duì)角偏轉(zhuǎn)時(shí),安裝位置在同心偏移0.2 mm以內(nèi),對(duì)角偏轉(zhuǎn)5°以內(nèi),磁電編碼器的輸出誤差在允許范圍內(nèi);霍爾傳感器安裝平面以中軸線為中心發(fā)生對(duì)稱偏轉(zhuǎn)對(duì)磁電編碼器的輸出值誤差影響較小。

在裝配過(guò)程中,要盡量避免發(fā)生同心偏移或?qū)瞧D(zhuǎn),保證磁鐵平面與霍爾傳感器安裝平面保持平行,特別是嚴(yán)格要求磁鐵與霍爾傳感器同心度的裝配工藝。另外,一旦出現(xiàn)裝配誤差,可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的軟件或硬件補(bǔ)償,提高成品率。