一种基于各向异性磁阻的旋转编码器

2018-07-10毛伟军

通信电源技术 2018年4期

余蓉，毛伟军

（1.驭芯科技（上海）有限公司，上海 201318；2.上海麦歌恩微电子股份有限公司，上海 201318）

0 引言

编码器是将机械运动中转速、位移和转度等物理量转变为数字脉冲化电信号的一类传感器件[1]。旋转编码器通常用于旋转物体角度和速度的测量，通常与电机配合，在工业自动化控制、家用电器和办公自动化设备等方面有着广泛应用[2]。

旋转编码器按输出形式可以分为绝对型编码器和增量型编码器；按原理可以分为接触式旋转编码器和非接触式旋转编码器[3]。电位计是典型的接触式传感器，由于机械接触的原理，其存在可靠性低、使用寿命有限等固有缺陷。常用的非接触式旋转编码器主要有光电编码器、磁旋转编码器、脉冲发生器和霍尔元件等。目前，应用最广的是光电编码器，基本原理是由一个红外对射式光电传感器和一个由遮光线和空隔构成的码盘组成，当码盘旋转时，遮光线和空隔能阻拦红外光束或让其通过。但是，光电编码器受环境的影响较大，对灰尘油污和潮湿气体等敏感，可靠性差。磁旋转编码器一般为封闭式结构，不易受外界环境的影响，且能实现小型化，低成本，高可靠性。

1 各向异性磁阻技术概述

在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，它的电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应（MR）。

某些金属如铁、钴、镍及其合金等，其磁阻变化与磁场和电流间夹角有关。当外部磁场与磁体内建磁场方向成0°角时，电阻不会随着外加磁场变化而发生改变；当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度时，磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低，称为各向异性磁电阻效应（Anisotropic Magnet Resistive Sensor，简称AMR）。

1857年，Thomson发现坡莫合金（Ni-Fe）的各向异性磁阻效应。从图1中可以清晰发现，当磁场方向与电流方向平行时，磁阻的变化值最大；当磁场方向与电流方向垂直时，磁阻的变化最小。而当磁场方向与电流方向成45°夹角附近时，磁阻工作于线性区，可以实现输出的线性特性。

图1 坡莫合金的AMR效应

AMR磁阻传感器采用四个磁阻组成惠斯通电桥，如图2所示。当在电桥上施加偏置磁场H在电桥上时，两个相对位置的电阻磁化方向会朝着电流方向转动，这两个磁阻的阻值会增加；另外两个电阻的磁化方向会朝着电流相反的方向转动，其电阻值会减少。通过测量电桥两端输出的电压差信号，即可得到外界的磁场值。

AMR磁阻传感器感应的是磁场方向的变化，因此可以灵敏探测地磁场范围内的磁场，是相对于霍尔技术成本更低的一种解决方案，通常可以用于导航、旋转位置传感器和电流传感器等各种应用场合。

图2 AMR传感器等效电路

图4 MTR611输出信号图

2 基于AMR技术的旋转编码器设计

本方案采用的AMR磁阻传感器是MagnTek推出的MTR611。该芯片内部有2个AMR惠斯通电桥，工作于饱和磁场状态下。在这种工作模式下，电桥电阻的改变仅仅取决于磁场方向，而非施加的磁场强度。该特性决定了AMR技术特别适合用于角度测量，而不是像传统的霍尔技术需要特殊的磁路设计来间接测量磁场方向。在磁场方向转动过程中，能分别对应输出正弦和余弦曲线，配合合适的磁铁，即可用于线性或角位移检测。

MTR611的输出信号是毫伏特级别，电机控制器无法直接使用，即需要对输出信号进行放大等处理。

本旋转编码器通过MCU控制，对AMR磁阻传感器的输出信号进行放大、模数转换、数字滤波，然后通过Cordic算法进行计算，将采集到的信号解码成电机控制器可以使用的角度信息。它有两种输出形式可选，分别为ABZ增量信号和0～5 V模拟线性输出，且可以同时提供SPI信号接口。具体实现框图如图3所示。

电机转动时，搭配的磁铁形成一个变化的磁场，各向异性磁阻（AMR）芯片采集磁场变化信号，将其转换成正弦和余弦输出信号，如图4所示。AMR输出信号经放大器（PA）进行放大，进入MCU进行处理。MCU包含模数转换模块（ADC）、数字滤波、计算和输出等模块。模数转换模块（ADC）将放大后的正弦和余弦信号转换成数字信号，经过数字滤波，通过Cordic算法对数字信号进行计算，并解码成角度信息。包含角度信息的信号一路通过数模转换模块（DAC）转换成0～5 V的模拟线性输出信号；另一路进行插值计算，转换成A、B、Z的增量信号输出，输出信号如图5所示。图6是MCU的SPI信号图。