基于磁阻传感器的相对转速测量系统*

陈国彬，张晓明，崔 星，李永慧，刘 俊

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

0 引言

随着现代科学的进步，许多军事、工业领域对相对转速测量系统的精度、体积、抗干扰的要求越来越高，可靠的小型化、高精度相对转速测量系统显得至关重要。目前测量相对转速的方法主要有基于测速发电机原理和基于光电编码原理的两种方案。永磁直流测速发电机具有灵敏度高、正反转输出特性一致等优点，但该方法成本较大、对安装精度要求高、体积较大且易受温度影响；光电编码器可以检测相对旋转位置和方向，且测量精度高、抗干扰能力强，但其安装工艺复杂、不易实现小型化[1]、抗冲击力弱。特别是在测量弹体相对旋转的工作环境中，要求测量系统体积小、安装精度要求低、抗高过载。因此，文中提出了一种基于磁阻传感器相对转速测量系统。

通过磁传感器检测磁场强度的变化来测量旋转体的转速可以达到上述测量要求。与测速发电机不同，这种测试系统根据信号脉冲之间的时间长度来确定转速，测量结果不会受温度或负载的影响。同时，由于磁场具有穿透特性[2]，磁传感器与被测磁场之间只要没有磁屏蔽介质相隔，就可以检测到磁场强度的变化，因此其受外界环境的制约小，可用于恶劣环境下的测量工作。并且这种测量系统体积小、成本低，安装简便、容易实现小型化。文中阐述的转速测量系统仅通过采集单通道数据就可以确定旋转方向，结构简单容易实现。

1 系统测速工作原理

基于磁阻传感器的转速测量系统的设计主要基于磁传感器的输出电压随其所处环境中磁场强度的改变而改变的设计思想。安装结构说明，被测转子的侧面按不同极性方向放置两块永磁体，该永磁体应放置在距离旋转轴心相同半径处，并且其安装相位相差90°（见图1）。

磁阻传感器安装在另一相对旋转体或固定体上，其位置要与相对旋转体相距一定距离（该距离根据安装需要和磁阻传感器的具体指标来自行确定），相对旋转体之间无需电气连接。磁阻传感器的测量轴向要求与永磁体的磁轴平齐，但其安装精度的要求没有光电编码器严格。在被测的相对旋转体旋转时，当其旋转到某一永磁体与磁阻传感器正对的位置时，磁传感器所探测到的磁场强度将达到最大值，同时系统输出也将达到最大值；当旋转到另一永磁体与磁阻传感器正对的位置时，磁阻传感器所探测到的磁场强度将达到最小值，相应的系统输出也将达到最小值。所以在相对旋转过程中，该相对转速测量系统的输出信号为一个周期信号，该信号的周期与被测相对旋转周期一致，幅值由永磁体的磁矩、永磁体与磁传感器的距离及信号调理电路的放大倍数确定。相对旋转的方向可根据输出信号的波形来确定。不同方向的旋转表现为电压最大值与电压最小值之间的变化所经历的时间不同。在旋转体按正方向旋转时由电压最小值到电压最大值所经历的时间占一个周期的四分之一；按反方向旋转时，由电压最大值到电压最小值所经历的时间占一个周期的四分之一（见图2）。

图1 相对转速测量系统原理图

因此本系统依靠单通道数据即可判定旋转方向，减少了系统资源与空间位置的占用。

图2 不同方向旋转的数据波形

2 系统硬件组成

基于磁阻传感器的相对转速测量系统主要由单轴磁阻传感器、信号调理模块、采集存储模块等组成（见图3）。

磁阻传感器选用霍尼韦尔公司生产的HMC1051Z单轴磁阻传感器，该传感器具有成本低、体积小、功耗低、测量精度高、抗高冲击能力强等优点，可测量±6Gauss的磁场强度，具有1mV／V／Gauss的灵敏度，同时具有芯片内部置位／复位功能，其测量带宽为5MHz，可有效测量500kHz以下的周期信号。

由于HMC1051Z为双端输出，输出电压为双极性电桥输出，所以信号调理电路设计为差分放大电路（见图4）。该放大电路的增益根据所选用的永磁体的磁场强度和磁阻传感器与永磁体之间的距离所决定。为了简化系统中的电源配置，选用单极性电源供电。为防止运放的输出电压反相电压截止，所以运放的正相段接入基准电压VREF，该基准电压的幅值应根据运放输出的双极性信号的单峰值来选择。

图3 系统硬件组成

图4 磁传感器的信号调理电路与复位电路

磁阻传感器的复位是至关重要的，如果磁阻传感器暴露在过强的磁场中会使其灵敏度降低，影响测量结果。对其进行周期性的复位既可以保证其正常工作，又可以保持其灵敏度的线性特性。根据HMC1051Z单轴磁阻传感器的特性，其复位时需要400mA以上的电流脉冲，该电流脉冲的持续时间至少为2μs，所以为了减小系统功耗，本相对转速测量系统选用点滴式充放电复位电路。传感器的复位电路由C1、C2、R13、R14、Q1、DO1组成（见图4）。DO1端输入周期性方波脉冲信号，该信号由系统控制芯片提供。当DO1为低电平时，PNP型三极管Q1关断，VCC经由R13对C1进行充电；当DO1转为高电平时，C2与R14会产生一个正电压，使得Q1开启，C1放电，在SR＋端会产生一个接近VCC的电压脉冲，在SR＋与SR－端产生一个大于400mA的电流脉冲。根据传感器对复位电流持续时间的要求，用于充放电的电阻R13选用220Ω，电容C1选用0.22μF。

采集存储模块主要负责数据采集、存储、传输，并提供传感器复位脉冲，该模块主要由A／D转换、FLASH存储、数据传输组成（见图5）。

基于磁传感器的相对转速测量系统中应用FPGA作为控制核心。本系统选用5kHz的采样率，该采样率可对转速在1kHz以下的旋转进行有效测量，如需要测量其它较高的相对转速则可以选择较高的采样率。

模数转换芯片可选TI公司的ADS8504，内置单通道12位ADC，转换速率高达250kSPS，具有并行输出功能，能大幅度的减小数据传输时间。运用5V直流电源供电，可简化系统中的电源配置。输入电压范围较宽，可采集±10V范围内的电压。FLASH存储选用K9F2G08芯片，其具有256M×8bit的数据存储空间，若应用5kHz的采样率，可有效采集71h的测量数据。数据传输选用串口传输，其有效传输速率最高为115200bit／s，可支持7kHz以下的采样率，如需要更高的采样率可选用USB传输。根据应用不同的应用环境可以选择不同的工作模式：1）实时上传；2）板上存储、事后上传。比如在测量弹体相对转速的工作环境中，由于安装空间的要求，只能选择板上存储、事后上传的工作模式。

图5 采集存储模块组成

3 系统转速测量方法

基于磁阻传感器的相对转速测量系统是根据磁阻传感器输出的时域信号的周期或频率变化实现相对转速测量。而光电编码器或磁选编码器测量转速的方法有适用于高转速的测频率法（M法）和适用于低转速的测周期法（T法）[3]。M法是通过测量一定时间内的脉冲个数来获得速度值；T法是通过测量相邻两个脉冲之间的时间间隔来获得速度值。本系统运用FFT测量方法来确定时域信号的周期或频率变化，该方法主要通过对截取的一段测量数据进行快速傅里叶变换进行频谱分析，找到主要频率分量所对应的频率值，即为所求的旋转频率。

具体测速方法如下，首先截取一段测量数据，该测量数据的时间长度T0是由信号频谱分析中要达到的频率分辨率Δf＝1／T0所决定的。如信号频谱分析中的频率分辨率要小于0.1Hz，截取测试数据的时间长度要大于10s。该测量方法的相对误差E为：

其中n表示标准转速。

由式（1）可以看出，所测信号的转速越大，截取数据的长度越长，测量结果的相对误差越小，测量精度就越高。因此，对于匀速旋转的测量，应尽可能截取长时间的稳定变化信号；对于转速缓慢连续变化旋转的测量，可以将截取部分的数据视为匀速旋转，通过频谱分析得到主要信号的频率，并将该频率作为此段截取数据时间中点的旋转频率，造成了测量结果的时间延迟。延迟时间长度τ为：

应用该测速系统对CQM6132小型高精度车床提供的不同转速的旋转进行测量，以验证该转速测量系统的精确度。由于车床提供的转速误差较大，所以应用单轴高精度大量程陀螺PA－ARG－10800作为标准转速，该陀螺的测量范围是±10800°／s，分辨率小于10°／s，将其与车床同轴旋转。车床提供转速分别为：335r／min，500r／min，710r／min，1000r／min，1400r／min。令本测速系统同时采集磁传感器数据与陀螺数据，采样频率5kHz，在每种转速下两通道分别采集60s的稳定数据。采集完成后，从每种转速的测量数据中提取10s的数据，并对其进行频谱分析，找到主要频率分量所对应的频率值。图6为不同转速下陀螺的输出数据。图7为1400r／min转速条件下磁传感器输出的时域信号与频域分析的处理界面，其中设定分析数据为2～12s之间的数据，经过频谱分析，得到主要交流分量的频率为24.8718Hz。

图6 不同转速下陀螺数据

图7 1400r／min转速磁传感器频谱分析

按照上述数据处理方式，得到不同转速的测量结果如表1所示。测量的相对误差随转速的增加而降低，符合上述测量精度的要求。由于本系统应用FFT测量方法，所以频谱分析中的频率分辨率越小，相对误差就越小，从而频率测量精度越高，但其要求信号的截取时间长度就越长，相应的频率测量的延迟时间就越长，所以应根据实际情况折中选择。

表1 转速测量系统数据与陀螺数据对比

4 结论

文中阐述的基于磁阻传感器的相对转速测量系统具有体积小、精度高、抗干扰、安装简便等优点，原理简单易于实现，并且可用于恶劣条件下的转速测量工作，尤其适合应用在像弹体转速测量这种高温、高冲击的测量条件下。但该转速测量系统只适用于匀速旋转与转速缓慢连续变化旋转的测量，对于转速突变的旋转仍然达不到理想的测量精度。下一步的研究工作主要是通过改良数据处理方法，从而减少数据采集时间，提高测量精度并扩大系统的测速范围。

[1]邓建，林桦.基于DSP的绝对式光电编码器的电机转速测量[J].电机与控制应用，2010，37（1）：50－55.

[2]廖红伟，杨晓非.磁选编码器的发展及应用[J].信息记录材料，2003，4（1）：40－44.

[3]贺桂芳，蒋华军.磁阻传感器在转速测量中的应用[J].微计算机信息，2006，22（5）：168－169.