张鹏;宋建材;薛桂香
焊割机【摘 要】本文以隧道磁阻技术制作的MMA253F角度传感器为基础,提出了一种采用DSP控制器实现旋转角度精确计量解决方案.核心思想是由MMA253F传感器提供表示磁场角度的一对正交电压信号,经DSP控制器采样处理后,通过运行CORDIC整数算法计算出绝对角度位置的编码值.测试结果表明,该方案可实现角度计量,结果准确可靠.相对于光电式角度编码器,该方案具有抗震、抗冲击、适于恶劣工业环境等诸多优点,且易与测控系统高度集成.因此,该角度测量方案具有较高的工程价值和广泛的应用前景. 【期刊名称】《天津理工大学学报》
【年(卷),期】单眼3d2016(032)006
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】磁性角度传感器;CORDIC算法;编码器;角度计量
【作 者】张鹏;宋建材;薛桂香
【作者单位】天津航海仪器研究所,天津300130;天津航海仪器研究所,天津300130;天津大学电子信息工程学院,天津300072;河北工业大学计算机科学与软件学院,天津300400
【正文语种】中 文
【中图分类】TH89
在相对旋转的两个部件中，为了测量或控制旋转载体的旋转物理量，如转速、角度、位置，必须使用旋转角度传感器对角度进行计量.当前角度计量方式有圆光栅、感应同步器、多级同步器、磁性编码器、光电编码器等传感器[1-2].其中光电编码器，具有准确度高、易于数字化，设备配接简单，因而在测控系统中得到广泛使用.但光电编码器、使用中受环境影响大、对潮湿气体和污染敏感，抗冲击振动级别低，不适合工业环境使用，对于需要零位计量的控制中，需要手动调整零位参考点，调整过程复杂、整体结构体积相对较大，不便于安装等缺点[3].其他几种角度传感器，从电路、机械结构复杂程度、对环境的要求程度、抗干扰能力等各个方面都各有优缺点，但相对于光电编码器，在一般的工业测控系统中，使用较少，因此本文提到的问题主要针对光电角度编码器.
ei硅钢片
废盐酸回收随着磁阻效应的发现，通过检测磁阻在旋转磁场产生的随旋转角度变化的电压信号来完成角度计量，已经表现出明显优势[3-6]，根据此效应研发的芯片逐渐成熟并市场化.磁阻传感器芯片能感应输出信号幅度大，信噪比高的电压信号，保证整个计量电路的结构紧凑、形成的计量模块安装简单可靠，容易嵌入到控制系统中，也可以很容易地将多个元件排列组合构成新功能和多功能元件.而且具有角度计量部分抗冲击振动、抗恶劣环境、响应速度快、零位任意设定，旋转部分非接触等优势，这是传统角度编码器无法比拟的[6-8].本文采用基于隧道磁阻技术制作的MMA253F角度传感器，提出了一种采用DSP控制器实现旋转角度的精确计量解决方案.由MMA253F传感器提供表示磁场角度的一对正交电压信号，经DSP控制器采样处理后,通过运行CORDIC整数算法计算出绝对角度位置的编码值.
所谓磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在变化的现象. MMA253F磁性角度传感器[8]的设计采用了隧道磁阻技术（Tunneling Magneto-Resistance，TMR），内部集成两个正交对称布局的推挽式惠斯通全桥，可感应磁场在X和Y轴向上的分量.每个惠斯通全桥包含4个具有极高灵敏度的TMR传感元件，每一个TMR元件的电阻值变化是自由层和钉扎层的磁化角度差的余弦函数，可以在很大范围的磁场强度下稳定工作，而不受磁铁间距变化的影响，上述特点保证了信号采集的准确可靠、减低
了安装调试位置精度的要求，为控制系统整体设计提供了很大的自由度.TMR磁性角位移传感器在使用时只需在传感器的正上方放置一个平行于传感器、具有单对磁极、径向充磁的圆盘形磁体，可以根据应用要求选择不同材料、不同直径、不同厚度的磁体，以TMR磁性角位移传感器正常工作所需磁场为准.为获得良好的性能，磁体中轴线和传感元件中轴线的偏离度越小越好，传感器与磁体安装示意图如图1所示.
当磁体旋转时，由稳定基准供电的MMA253F传感器在外磁场从0°到360°的旋转过程中，X和Y的输出传感器电压曲线如图2所示[8].输出电压的幅值超过供电电压的80%输出，在0°到360°之间的每一个角度值都可以由正交的表示余弦和正弦函数的X和X的输出电压值来准确定位.
有机玻璃加工设备整个旋转角度测量与采集系统由四部分组成，分别为电源模块，磁传感器信号采集模块、处理器模块、信号输出模块，硬件框图如图3所示.
MMA253F角度传感器为信号采集关键件，其偏置电压由LDO稳压电源供电，以保证稳定的信号输出.HT7553为基准芯片，可以提供100 mA电流为MMA253F供电，同时又作为DSP2812芯片的AD采样电压基准.芯片输出信号经运算放大器OPA4277做电压跟随器后，
直接接入处理器ADC通道.DSP2812是不带浮点运算的处理器模块，内部2X8路AD，分辨率12位，足以满足AD量化误差.运算放大器做电压跟随器后，可以防止ADC电路由于阻抗不匹配导致信号失真，保证驱动DSP2812内部AD的驱动能力和采集响应速度.
程序在主循环中，完成电压采集，读取、电压输出作为当前角度位置的余弦和正弦值，运行定点CORDIC算法来计算出当前角度值的二进制代码，最后通过485串行通信模块发送到上位PC机.
在工业测控、数字无线通讯等系统中，经常会遇到三角函数的解算、由正弦和余弦求解角度等问题.在工程中利用计算机求解三角函数的主要方法都是使用级数分解逼近，本质上是用多项式函数来近似要计算的三角函数.整个计算过程中必然要涉及到大量浮点运算，但在缺乏硬件乘法器的设备上（如没有浮点运算单元的处理器），用这些方法来计算三角函数非常耗时，实时性难以保证.为解决这个问题，J.Volder于1959年提出了一种快速算法[9]，通常称之为CORDIC（CoordinateRotationDigitalComputer）算法，其基本思想是用一系列固定的与运算基数相关的角度不断偏摆从而逼近所需的角度.由于这些固定角度只与计算基数有关，CORDIC算法只需移位和加减运算就能计算常用三角函数值，如Sin，Cos，Si
nh，Cosh等很多基本函数.由于只用移位和加法运算，因此CORDIC算法也很容易用纯硬件来实现，现在常能在FPGA运算平台上见到它的身影.在本文提出的解决方案中使用定点型DSP，要通过已知求解它对应的角度，通过CORDIC算法可以有效地在这种资源有限硬件平台完成角度求解的高速计算.
3.1 基本原理
假设DSP已经通过采样得到了点P的x，y坐标值，要解决的问题是计算θ=a tan（y/x）.如图4所示，求θ的过程也就是求a tan函数的过程.应用CORDIC算法首先将P点（x，y）旋转一定的度数，如果旋转后新点的纵坐标y变为了0，那么旋转的度数就是点P对应的角度θ.
将原始点P（x，y）以原点为中心，假设顺时针旋转θ之后的坐标记为（x′，y′），则旋转后的坐标和旋转前坐标转换公式如下：
假设第一次旋转设定为45度，从n=0开始，按照上述公式（1）迭代，每次根据新计算出的点坐标y的正负来判断旋转方向，按二分法，依次减小每次旋转的角度，即每次旋转的角度θ=45*（1/（2^n）），依次迭代直到满足精度要求，这时得到的角度就是点P（x，y）对
应的就是极坐标的角θ.假设P点在直角坐标系下的坐标（x，y）=（100，200），理论计算可知其极坐标理论值是（223.61，63.435）.整个迭代过程的数据为：迭代15次后，θ=63.432和理论值相差0.002度，完全满足精度要求.
3.2 程序实现
电缆转接箱
上述过程是CORDIC算法的实现原理，多次迭代可以保证得到满足精度的角度值，但是每次循环都要有计算4次浮点数的乘法运算和两次加法，需要进一步做些改进.对公式（1）cosθ提出后得到
要计算的是θ角，所以可以省略掉cosθ得到一个只用来计算角度的伪旋转矩阵：
每次循环只有（x，y）各一次与tanθ的乘法和两次加法.整个循环过程，每次旋转的角度都比上次减小.如果人为选择每次旋转的角度，使得每次旋转的角度的正切等于1/（2^n），这样每次迭代时，方程中乘tanθ就等于每次乘1/（2^n）.把每次旋转后，已知点的绕X转的旋转角度算术累加，即得到总的旋转角度θ.
以第一次Y轴旋转45度为例，每次旋转角度的tan等于1/（2^n），下面是具体每次旋转的角
度：
即每次旋转角度依次变为第一次旋转角度的1/（2^n）.每次循环y减少x/2，最后y轴的值无限趋近于0.在迭代公式（2）中，每次迭代时，（x，y）与tanθ的乘法就转换为（x，y）移一位就可以了.这样整个运算就是移位和加法运算了，但是依然是浮点数，需要做归一化处理，将浮点数点转换为定点整数运算.设用256表示1度.则角度可以精确到1/256=0.003 9度.256表示1度，那么45度就是45*256=115 200，上面各个转角的度数以此类推进行整数化，这样上述旋转方式得到的每次旋转角度为{11 520，6 801，3 593，1 824，916，458，229，115，57，29，14，7，4，2，1}.图5是角度计算部分的程序框图，在每次时间中断中完成.仍然以P点在直角坐标系下的坐标（x，y）=（100，200）为例，计算结果如下：
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