磁敏元件MLX90363的多圈智能转角传感器设计

磁敏元件MLX90363的多圈智能转角传感器设计
李彩琦;田跃;李杰;张波
【摘要】介绍了基于14位输出的智能磁敏元件 MLX90363制成的转角传感器,它利用STM32F103C8T6微控制器相应的电路作为数据处理模块,将 MLX90363芯片采集的双路角度数据读出,通过一定的算法处理,实现±720°范围的多圈角度计算,并利用CAN总线将采集到的数据输出.设计了转角传感器基本方案,包括传感器的系统结构、硬件电路和软件程序.给出了利用两路磁敏元件采集的转角信号计算绝对转角的算法,以及利用 CAN总线进行软件中断的方法,实现回正零点的设置.该传感器成本低、精确度高,可以应用于ESP和EPS系统中为汽车方向盘转角提供精确角度测量.%In the paper,the angle sensor based on 14-bit intelligent magnetic sensor MLX90363 is introduced.It uses the STM32F103 mi-crocontrollers and corresponding circuit as the data processing module,and reads the two-way angle data collected by the MLX90363 chip and processes it by a certain algorithm,achieves ±720° range of multi-turn angle calculation.Then the collected data is output by the CAN bus.The basic solution of the rotation sensor is designed,including the sensor's mechanical structure,the hardware circuit and the software program.The algorithm of calculating the absolute rotation angle by using the two-way magnetic sensor is given,and the meth-od of using CAN bus to interrupt the software is also given.The sensor is low cost and high accuracy,which can be used in ESP and EPS systems to provide precise angular measurements of the steering wheel angle of the vehicle.
【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2018(018)005
【总页数】4页(P76-79)
【关键词】智能磁敏元件;MLX90363;STM32F103C8T6;多圈转角传感器;CAN总
线
【作者】李彩琦;田跃;李杰;张波
【作者单位】北京科技大学数理学院,北京 100083;北京科技大学数理学院,北京100083;北京科技大学数理学院,北京 100083;北京科技大学数理学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
引言
随着现代技术的发展，对角度的单圈测量已经不能满足工业应用和需求，为此设计出能够检测多圈的角度传感器，能够应用于车辆电控技术中。

车身电子稳定系统(ESP)与电动助力转向系统(EPS)是汽车转向系统的重要组成部分[1]。

转角传感器
为ESP 系统和EPS 系统提供了角度信息[2]。

转角传感器计算角度的准确性和驾驶安全密切相关，主要有滑动电阻式、磁感应式和光电式等几种[3]。

MLX90363是一种基于霍尔效应的磁电式角度传感器,具有非接触、成本低、抗干扰性高等优点，这对非接触角度传感器的研究具有重要意义。

1 转角传感器的系统结构
方向盘转角传感器一般安装在方向盘转向管柱上。

在转向管柱上固定有转向柱齿轮，转向柱齿轮和两个小齿轮啮合。

转向柱齿轮和方向盘一起转动，从而带动两个从动齿轮转动。

两个小磁铁分别固定安装在两个从动齿轮中间，当小磁铁随从动齿轮转动时，小磁铁磁通密度的变化可以被磁铁正上方2 cm处的 MLX90363检测到，
产生对应于转角的输出信号。

在本实验中通过SPI串行通信的方式输出数字信号，省去了A/D转换电路，极大地减少了系统设计的复杂度。

并且在SPI模式下，MLX90363输出的数据为14位，能够为角度测量提供更高的精确度。

2 传感器的电路设计
整个系统由4部分组成，分别为电源模块、信号采集模块、微处理器模块、CAN
总线通信模块。

硬件框图如图1所示。

图1 系统的整体硬件结构图
2.1 MLX90363 芯片简介
MLX90363是一款运用 TriaxisTM (三轴)霍尔技术的独立传感器芯片。

TriaxisTM 三轴霍尔传感器既可以感应垂直方向，又可以感应与芯片表面平行的磁场强度[4] 。

芯片内部集成原始信号处理模块、 DSP 微处理器模块和SPI输出模块。

为了满足
设计电路的结构简单、成本低等要求，这里选择的是SPI输出模式，避免了模拟输出带来的额外误差。

在SPI通信中MLX90363芯片作为从属节点，单片机作为主节点。

SPI通信需要4根线：NSS(决定设备是主节点还是从属节点)、SCLK(时钟线)、MOSI、MISO。

最后通过对该芯片进行预编程处理，把源数据对应于0～16 384的5位数输出。

2.2 微处理器模块
在此次研究设计中，考虑到成本、程序容量等因素，最终选择了这款中等容量的单片机STM32F103C8T6。

它拥有64 KB的FLASH存储器、20 KB随机存储、3个通用定时器。

而且拥有丰富的外设资源及I/O口资源：2个SPI通信接口、37个
GPIO口、1个CAN总线接口等相关外设，工作电压范围为2.0～3.6 V(使用3.3
V供电)，使用的封装类型为LQFP48。

本实验中需要2个SPI通信接口和1个CAN总线接口，STM32F103C8T6芯片正好满足设计需求，不会造成资源的浪费，而且引脚个数少，价格便宜，拥有极强的市场口碑，开发难度低，可靠性强，在工业控制和汽车控制中应用广泛。

2.3 电源模块电路
TLE4269是一款输入电压最大可达45 V，输出电压为5 V，可驱动150 mA负载的电源芯片，车载电源一般是12 V ，使用TLE4269电源芯片，很好地解决了在
发动机点火瞬间汽车电压过大的问题。

输出的5 V电压给角度传感器芯片
MLX90363供电，再将5 V电压降为3.3 V，为微控制器供电。

电压转换电路如
图2所示。

图2 12 V转5 V电源转换电路
2.4 MLX90363数据采集电路
硬件电路设计的核心是磁传感器信号采集模块，将两路MLX90363采集到的SPI
信号传给单片机，经过单片机内部算法处理，分别计算出两个从动齿轮转动的相对角度后，最终计算出转向柱齿轮的转动角度。

信号采集电路如图3所示。

图3 MLX90363数据采集电路
2.5 CAN 通信电路
STM32F103C8T6内嵌 CAN 控制模块，总线数据的封装可在单片机内部进行，
而单片机只需外接 CAN 总线收发器PCA82C251 即可。

同时，为了避免汽车的电源电压不稳定对电路造成的影响，增强CAN总线抗外界干扰的能力，采取了以下两项措施，首先是在微控制器的CANTX与CANRX通过两个高速光电耦合器
6N137与82C251连接，能够很好地实现CAN总线电路上节点之间的隔离；其
次是在电源部分使用电源模块B1209S，对光电耦合采用的两个电源隔离。

这样光
电耦合电路才能起到作用。

CAN通信电路如图4所示。

图4 CAN通信接口电路
3 传感器的软件设计
图5 系统整体软件设计流程图
整个系统的软件整体设计思路为：转角传感器安装在转向管柱上之后，使方向盘处于回正位置，利用CAN总线的发送中断将此时的位置记为绝对零点，将此值存在FLASH中。

之后每次上电后，首先从FLASH中读取绝对零点的值，然后读取MLX90363输出的转角信号，将读取出的角度减去绝对零点的角度值即为方向盘
转动的相对转角，之后利用相对转角计算出方向盘的转动角度，在定时器中每隔500 ms，将数据以CAN信号的形式发送给上位机。

系统整体软件设计流程图如
图5所示。

图6 转向柱齿轮的角度与两个从动齿轮角度之间的关系
MLX90363能够测量的角度范围为0～360°，而要检测的转动角度为多圈(±720°)，利用双磁铁和安装在磁铁正上方的双角度传感器MLX90363，可以使角度监测范
围扩大。

本系统中，选择转向柱大齿轮齿数MA与两个从动小齿轮的齿数MB、MC，分别为MA=70，MB=18，MC=17。

转向柱大齿轮单向转动0～1600°(可
实现双向±800°的角度监测)，两个检测从动齿轮的角度的MLX90363输出的角度信号如图6所示，由图可见，输出信号是两列频率不同的锯齿波。

将两个从动齿轮的产生的频率不同的锯齿波的角度作差值运算后，如图7所示。

由图可知：在方向盘单向转动0～1600°范围内，转向柱齿轮的角度和两个从动齿轮的差值能实现一一对应。

编写算法便能计算出方向盘的转动角度。

图7 转向柱齿轮的角度与两个从动齿轮差值之间的关系
当方向盘转动时，分别读取两个MLX90363采集到的角度值，计算出它们的相对转角后，对两个从动齿轮的相对角度作差，当两个从动齿轮角度的差值为负数时，
将此位置处从动齿轮角度的差值加360°，使转向柱齿轮的角度与两个从动齿轮差
值成为一条光顺的、斜率相同的直线，如图8所示。

利用此直线求出方向盘的转
动角度。

图8 算法处理后，转向柱齿轮的角度与两个从动齿轮差值之间的关系
4 实验结果与误差分析
每隔20°测试一组数据，在方向盘转动±720°的范围内，方向盘转动的实际角度和误差的关系如图9所示。

由图9可知，该方向盘转角传感器的误差达到了±2.5°，基本符合方向盘转角传感器实际中的应用需求。

造成该误差的原因：一是齿轮自身的精度带来的，经过测试，齿轮的啮合的精度为1.5°，这是造成角度误差的主要
来源；二是由于磁铁的中心和MLX90363的感应区域的中心不在一条直线上，会造成角度计算的误差。

图9 角度误差
结语
本文介绍了一款基于MLX90363 转角测量芯片以及STM32F103C8T6 微处理器
的多圈角度计算方案。

方案利用霍尔传感器MLX90363所设计的磁性角度传感器，具有非接触、低成本、高抗干扰等优点，给出了绝对转角的计算方案。

试验证明，该多圈转角传感器能满足所要求的技术指标，可广泛地应用于汽车、电机等工业领域中。

参考文献
[1] 何金戈.汽车传感器原理与检修[M].北京:化学工业出版社,2009: 60-67．
[2] 戴望军,石广林,熊松林，等.基于MC9S08DZ60汽车方向盘转角传感器的开发[J].湖北汽车工业学院学报,2013,27(2):37-41.
[3] 杨财,周艳霞.方向盘转角传感器研究进展[J].传感器与微系统, 2007, 26(11):1-4.
[4] 黄志瑛,李学武.三轴霍尔传感器MLX90316[J].广西轻工业,2010(4):49，59.
李彩琦(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式系统开发。