[发明专利]一种磁感应效应角度传感器的标定方法

说明书

技术领域

本发明属于测试测量传感器技术领域，特别涉及磁感应效应角度传感器的标定。

背景技术

随着工业自动化、汽车电动助力转向、汽车电子稳定控制的发展，角度传感器的应用越来越多。而磁感应效应由于其非接触、良好的滞回特性、抗环境干扰等良好的特性，基于磁感应效应的角度传感器具有很好的应用价值和实用前景，并且已经在汽车上有相当的应用。

磁感应效应角度传感器有多种形式，其基本组成如图1所示。由外壳1、转动输入齿轮2、1个或多个从动齿轮3、与从动齿轮固连的磁铁4、磁感应芯片5、单片机6、电源模块7、总线接口芯片8组成。其中，磁感应芯片5与磁铁4成对出现，空间上磁感应芯片位于磁铁下方。磁感应芯片5、单片机6、电源模块7、总线接口芯片8共同组成传感器的硬件电路。多种形式是指传感器所采用的磁铁和磁感应芯片对的个数可以是1个，也可以是多个；所采用的磁感应芯片可能含有温度传感器，也可能不含温度传感器；所采用的总线接口芯片可能是针对不同的总线。常用的磁感应芯片有KMZ41、TLE5010、TLE5011、TLE5012等，这些磁感应芯片均能在磁场作用下输出电压值，磁场匀速旋转时，输出的电压值为正余弦曲线。

磁感应效应角度传感器的基本原理如图2所示。转动输入齿轮转动时，带动从动齿轮及与从动齿轮固连的磁铁转动，从而磁场方向发生变化，磁感应芯片能够检测到磁场方向的变化，磁感应芯片的输出值给单片机，单片机通过内部程序运算处理能够计算出输入齿轮的转动角度及转动角速度，并将此结果通过总线输出。在理想情况下，磁场相对于芯片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为标准的正余弦曲线，通过正余弦值计算反正切，可以得到360°内的角度值。

作为传感器，精度是关键参量，磁感应效应角度传感器的精度受到多方面的影响，提高角度传感器精度的方法一是提高加工制造精度，二是通过标定进行补偿修正。而提高加工制造精度会增加生产成本，不利于产品的推广，所以在一定的加工精度的条件下，通过标定进行补偿是一个常用的做法。

所需标定的参数结合图3-5进行说明。由于批量生产过程中，磁铁强度有不同，磁感应芯片安装位置有误差，磁感应芯片本身特性有偏差等等，实际磁场相对于芯片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为非标准的正余弦曲线。标定的作用就是把非标准的正余弦曲线通过修正转化成标准的正余弦曲线。所需要的修正参数包括磁感应芯片输出值的偏移量，磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出正余弦值的相位差、偏移量的温度系数。所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值的相位差如图3所示，是指正余弦的相位差不是90°，需要计算出实际相位差和90°的差值。所需要标定的磁感应芯片输出值的偏移量和峰值如图4所示，偏移量是指输出值的均值与纵轴的0位置的差，幅值是指输出值的最大值和最小值的差的一半。所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值偏移量的温度系数如图5所示，是指输出值的偏移量随温度的变化系数。标定时在较低温度下得到一个偏移量，记为点P1，在较高温度下得到一个偏移量，记为P2，认为偏移量随温度的变化为线性，据此得到偏移量随温度变化的系数。

所需标定的参数较多，且标定过程较为复杂，具有良好实用价值的标定补偿算法并不见于已有的专利发明及论文著作。2002年，Bosch公司在美国申请的专利US 6494784B1中通过3个测试点，能够对磁感应效应角度传感器磁感应芯片的输出值的偏移量进行补偿，基本原理为通过圆周上的3个点计算圆心位置，该方法仅能得到偏移量，而对磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出值的相位差、偏移量的温度系数没有涉及。磁感应芯片的制造商通常会给出单个磁感应芯片标定的计算公式，但是并没有完整的对角度传感器的标定方法。比如磁感应芯片TLE5011的应用手册给出一种离散傅里叶变换形式的标定用到的公式。在磁场转动360°的范围内，均匀取n个点，n为2^m，m为正整数，输出值中的余弦值记录为X(i)，正弦值记录为Y(i)，i表示第几个点，标定用到的计算公式如下。

输出值的余弦的偏移量Ox由下式得到：

Ox＝[X(1)+X(2)+…+X(i)+…+X(n)]/n                                    (1)

输出值的正弦的偏移量Oy由下式得到：

Oy＝[Y(1)+Y(2)+…+Y(i)+…+Y(n)]/n                                    (2)