耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器技术领域,具体涉及一种用于磁阻MR(Magnetoresistance)转角位置的传感器驱动器及其传感器系统。
【背景技术】
[0002]无刷直流电动机具有高效节能，寿命长，可靠性高的优点，与传统的有刷直流电动机相比，无刷直流电动机具有很大的性能优势。随着计算机和电力电子技术的发展，无刷直流电动机得到了越来越广泛的应用。无刷直流电动机与其它类型电动机的主要差别之一是前者需要转角位置传感器。虽然在过去的30年里，不断的有不需要转子位置传感器的所谓Sensorless方法被开发出来,但性能方面多多少少都存在局限性，不适用于高性能的无刷直流电动机系统。
[0003]现有的转角位置传感器有多种类型。常用的霍尔(HALL)开关元件不能提供连续的转角位置信息，光电编码器不能承受高温和振动，而旋转变压器体积大，成本高，并且需要专用的信号处理集成电路，均不适合于汽车等温度高，振动大，成本低的应用场合。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提出了一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器及传感器系统，具有耐高温，耐冲击振动，成本低等特点，非常适合于汽车用高性能无刷直流电动机。
[0005]本发明的具体技术方案如下:
[0006]一种耐高温磁阻转角位置传感器驱动器包括一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理器和两套驱动单元；
[0007]其中磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；
[0008]微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口 ；
[0009]驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源，
[0010]同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与微处理器的模数转换端口、对应惠斯通磁阻桥的接地端相联；
[0011]传感电阻设置同相运算放大器的反向输入端和地之间；
[0012]同相运算放大器的输出端分别与微处理器的模数转换端口和对应惠斯通磁阻桥的正电源端相联；
[0013]差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口相联。
[0014]一种耐高温磁阻转角位置传感器系统，包括一只旋转磁铁、一只磁阻转角位置传感器芯片、一只微处理和两套驱动单元；
[0015]其中旋转磁铁为两极永久磁铁，永久磁铁固定在旋转轴的一端；
[0016]磁阻转角位置传感器芯片包括两套分别由四只磁阻元件串联组成的惠斯通磁阻桥，惠斯通磁阻桥的一个对角分别为正电源端和接地端，另一个对角分别为两路差分信号的输出端；
[0017]微处理器设置有多只模数转换端口和脉宽调制输出端口 ；
[0018]驱动单元包括传感电阻、差分放大器、低通滤波器和同相运算放大器构成的电流源；
[0019]同相运算放大器的同相输入端通过低通滤波器与微处理器的脉宽调制输出端口相联；同相运算放大器的反向输入端分别与微处理器的模数转换端口、对应惠斯通磁阻桥的接地端相联；
[0020]传感电阻设置同相运算放大器的反向输入端和地之间；
[0021]同相运算放大器的输出端分别与微处理器的模数转换端口和对应惠斯通磁阻桥的正电源端相联；
[0022]差分放大器的输入端与惠斯通磁阻桥的差分信号输出端相联，差分放大器的输出端与微处理器的模数转换端口相联。
[0023]本发明具有的技术效果如下:
[0024]1、本发明提出了一种磁转角位置传感器系统，采用微处理器实时监控传感器芯片中磁阻桥电阻来检测温度，并相应改变芯片的供电电流，补偿了磁阻转角位置传感器芯片桥峰值电压随温度升高而降低，保持了系统的分辨率。
[0025]2、本发明没有使用热敏电阻，热敏二极管等专用的温度传感器，而是通过对MR桥电阻的检测就可以得到当前的温度，同时温度检测电路就是利用现有的角度测量电路，没有附加的成本，可靠性和性价比很高。本发明温度检测对提高系统的安全性具有非常重要的作用，而且它对于MR传感器芯片的硬件故障检测起着必不可少的作用。
【附图说明】
[0026]图1为本发明为磁阻转角位置传感器的磁铁和芯片安装结构图。
[0027]图2为本发明磁阻转角位置传感器芯片的结构。
[0028]图3为本发明温度补偿恒流供电MR信号处理电路及驱动器原理图。
[0029]图4为本发明基于运算放大器的电流源原理图。
[0030]附图标记如下:
[0031]11 一旋转轴；12—磁铁；13—传感器芯片；R1、R2—传感器芯片电阻桥；R3、R4—传感电阻；U1A、U1B—运算放大器；U1—微处理器；U2、U3—低通滤波器；U4、U5—差分放大器；A/D 1、A/D2、A/D3、A/D4—微处理器的模数转换器端口； PWMl、PWM2—微处理器的脉宽调制输出端口 ；Vccl、Vcc2—电阻桥正电源端；GND、GND2—芯片接地端；+Vol、-Vol芯片桥I的两路差分信号输出端；+Vo2、-Vo2芯片桥2的两路差分信号输出端。
【具体实施方式】
[0032]本发明的磁阻转角位置传感器包括旋转磁铁、转角位置传感器芯片以及驱动单元和微处理。其中磁铁和芯片的安装结构见图1。其中，两极永久磁铁12固定在旋转轴11的一端，磁铁是沿直径方向磁化。磁铁不一定是圆形，可以是任何形状，选取原则是成本，尺寸以及公差配合。磁阻转角位置传感器芯片13固定在旋转轴的延长线上，其中心与旋转轴的中心重合。当旋转轴旋转时，磁铁产生的磁场方向也开始旋转，磁阻转角位置传感器芯片检测磁场方向的变化，输出两路正、余弦模拟电压，其中带有旋转轴的转角位置信息，经过信号调节电路的处理，就能得到真实的旋转轴转角位置信息。
[0033]转角位置传感器芯片的结构见图2。它是基于磁阻效应原理，即某些材料的电阻随外界磁场强度的变化而变化，通过测量材料的电阻就可以检测出外界的磁场强度。为了达到检测磁场方向的目的，用于转角位置检测的磁阻传感器芯片有着特殊的结构，如图2中所见，8个磁阻兀件形成两个惠斯通Wheatston桥。图中，Vccl和Vcc2分别为芯片两路桥的正电源端，GNDl和GND2分别为芯片两路桥的接地端，+Vol和-Vol分别为芯片桥I的两路差分信号输出端，+Vo2和-Vo2分别为芯片桥2的两路差分信号输出端。一般应用中，在电源端和地端之间施加电源电压，从输出端就可以得到差分输出信号。
[0034]这些特殊结构带来的特点是，当外部磁场旋转时，芯片输出两路带有直流偏置成分的模拟差分信号，其幅度随外界磁场方向的变化而呈正余弦变化，相角相差90°。通过检测这两路正余弦模拟信号，并对这两路信号通过信号处理算法进行解算，就可以判断出外界磁场的方向，从而得出旋转轴的方向。
[0035]磁阻转角位置传感器芯片转角和信号幅值的关系如下
[0036]V0(V0ut1)-Voffset (V0ut1)+U^sin (2 Θ )
[0037]Vo(V0UT2)-Voffset (Vout2) +U^cos (2 Θ )
[0038]其中，V。(νουτι)和V。(νουτ2)分别为芯片第一路和第二路输出信号。Vtjffset (VOUTi)和^offset (V0UT2) 分别为芯片第一路和第二路输出信号中的直流偏置成分。U为芯片正余弦输出信号的幅值。Θ为外部磁场与芯片轴线之间的夹角。磁阻转角位置传感器芯片输出的信号经过信号处理电路之后，理论上成为相角相差90°的正弦波信号，其瞬时值随旋转轴角度呈正弦和余弦变化。
[0039]磁阻转角位置传感器芯片最主要的特点在于磁场饱和性，S卩外界磁场强度达到一定值以后，其输出信号的幅度只与外界磁场的方向相关，而不随外界磁场的强度发生变化。就是说，实际应用中温度变化，机械误差等等因素所造成的磁场强度变化对磁阻转角位置传感器芯片输出信号的精度没有影响，大大提高了整个系统的可靠性和精确性。
[0040]现在有一些芯片供应商也提供类似的基于HALL传感器原理的方案，其系统结构类似于磁阻转角位置传感器系统，但局限于HALL效应的性能，都不具备磁阻转角位置传感器芯片的磁场饱和性，系统的输出可靠性和精确性受工作环境的影响很大，远远达不到磁阻转角位置传感器芯片的性能水平。这也是磁阻转角位置传感器芯片在汽车用应用领域占绝对优势的主要原因之一。
[0041]像所有其他系统一样，