用于摇窗电机旋转测试的传感器系统的研制

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.71MB 70 页 15积分

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摘要

摇窗电机是汽车电子控制系统的重要组成部分，摇窗电机旋转位置的检测和

速度的测量是提高了摇窗电机控制系统精度的关键技术。为了测试德国博泽公司

新开发的摇窗电机的特性，提高摇窗电机系统的性能，以及满足一些特定的精度

要求，本课题对高精度摇窗电机旋转测量系统进行了研究与开发。

随着数字技术及集成电路技术的发展，传感器也逐步走向智能化、微型化。

随着智能化程度的进步，传感器自身的概念也逐步扩展，由单一的敏感元件扩展

为集信号获取、处理、存储、与传输等功能在内的新型传感器系统。本论文叙述

了旋转传感器和智能传感器的功能特点和发展趋势，通过分析旋转传感器的研究

现状，根据磁阻旋转传感器具备非接触式测量、成本低廉、能适应苛刻的工作环

境等的特点，研制出了一种用于摇窗电机旋转测试的智能测量系统。本系统是基

于运行在饱和模式下的 Honeywell 公司磁阻传感芯片 APS00B 的实时在线测试系

统。

本文在绪论部分介绍了论文的选题背景和旋转位置检测的研究现状，分析了

现有的各种旋转传感器的原理和优缺点，提出了磁学传感器的特点。磁学旋转传

感器应用磁敏感元件感应磁场、电流等物理量的变化，并将其转换为元件的磁性

能变化，该转换过程对应某种确定的旋转角度关系。除可实现耐污染的非接触旋

转角度测量外，其抗振动、抗嗓声能力较强，即使在极为恶劣的环境下也能可

靠、稳定的工作。因此本论文选用了磁阻传感器。最后还提出了本论文研究的主

要内容：

（1）了解传感技术的重要地位与作用，把握旋转传感器的研究现状与发展

趋势，重点掌握旋转传感器的研究进展，明确各向异性磁阻(AMR)传感器的应用

领域与研制意义。

（2）研究磁阻效应的工作原理，理解各向异性磁阻(AMR)传感器的内部结

构和测量原理。

（3）把握旋转传感器集成化、智能化的发展方向，结合各项异性磁阻(AMR)

旋转传感器的特点，设计一个用于测量摇窗电机驱动器和齿轮旋转信息的在线测

量系统，完成系统硬件设计。

（4）应用系统软件开发环境 CANape 6.5，设计系统测试程序，完成信号的

采集、分析、计算、显示等功能。

（5）完成系统软硬件综合调试，实现系统预期功能。用测量系统进行实

验，分析实验结果，研究影响系统误差的主要因素。在此基础上，总结系统成果

及优点，并提出下一步工作要求和研究方向。

(6)用测试系统测试不同的摇窗电机，分析不同电机的特性，理解摇窗电机系

统的机理。

在第二章理论部分中，在分析了霍尔效应和磁阻效应的基本原理的基础上，

主要阐明了各异性磁阻(AMR)传感器的内部结构和测量原理。各向异性磁阻发生

在某些含铁材料（在本论文中为坡莫合金）中，该材料可以薄带形成使用而成为

电阻元件，每个带状磁阻元件都具有以cos2θ关系改变电阻的能力，其中θ是磁

矩M矢量和电流I间的夹角。当外部磁场强度比内部磁化向量高约40高斯 (对于本

论文中所采用的磁阻芯片，外部磁场强度大于190高斯) 时，外部磁场完全可对材

料的磁化重新定向，AMR传感器就处于饱和的工作状态。在这种工作状态下，内

部磁化方向与外部磁场方向一致，所以可以用外部磁场方向代替内部磁化方向

（饱和态磁阻效应实际上是角度的函数）。为了用AMR元件构建传感器，须将四

个元件布置成金刚石形状并通过金属化将它们的端部彼此连接在一起以形成，对

四个首尾连接的相同元件施加Vs的直流电压源，剩余的两个节点用于测量(节点

任意选取)。在不提供任何磁场（0高斯）的情况下，除了因AMR元件的制造公差

而引起的少量补偿电压外，各个测量节点都应具有相同的电压。在用这种方式连

接AMR元件形成惠斯顿电桥时，这些节点将产生一个是由供电电压、MR比率

（材料常数）和θ角构成的函数的差分电压ΔV。（θ角是元件上的电流和外加

磁场方向）。本论文中所采用的APS00B 芯片是一个双轴AMR传感器。在它内部

有两个惠斯顿磁阻桥，共存于一个膜片上。桥B 相对桥A 物理上旋转45 度。当有

磁场围绕着该芯片旋转时，两个电桥分别产生一个sin2θ 和 cos2θ信号。由于

正弦传感器电桥A和余弦传感器电桥B减去偏置误差电压后成比例。所以电桥A与

电桥B的比将产生一个tan2θ函数并消除了振幅A的值。因此可以很容易的利用反

正切函数来求出旋转角度θ。

第三章主要介绍了传感测量系统的硬件组成。分析了AMR传感芯片APS00B

输出信号的特点及性质，在此基础上，从信号调理的目的和要求考虑，依次讨论

研究了本系统中传感信号的放大、偏置、滤波及阻抗匹配等电路的设计。分析了

数据采集模块NI USB-6009的功能特点，主要说明了其内部功能组件和模拟信号

输入端口的功能和应用电路。介绍了系统的电源方案，讨论了硬件设计的其它问

题，例如从电磁兼容性设计应用角度研究了系统电路板的制作原则。为AMR旋转

传感器功能的实现提供了高性能、稳定可靠的硬件基础。最后描述了摇窗电机驱

动器和齿轮旋转角度测量的结构设计与实现。

第四章介绍了软件开发和测试程序设计。开发了基于CANape 6.5的测试程

序，研究了角度解算反正切算法的编程，设计了包括显示、控制、诊断、参数调

整等在内的用户界面。

在本文的第五章对系统的测试结果的准确性进行了验证，对系统的实验结果

进行了误差分析，在优化系统的同时，提出了进一步改善的有效的误差补偿方

法。影响系统误差的主要因素包括：

（1）磁阻芯片欠饱和误差：使磁阻传感器充分饱和的理想磁场强度应为无

穷大，而实际是无法达到这一要求的，由此而产生的误差称为欠饱和误差，该误

差又可分为波形失真误差和磁滞误差。传感器外部磁场强度不够时输出波形不是

正弦波。这是因为磁阻传感芯片外部磁场强度不足以使内部磁化矢量与其同向。

如果磁化矢量角度代替被测角度，便会引入波形失真误差。同时传感芯片的磁滞

误差，即在同内和反向行程间输出输入特性曲线不一致的程度，也会因外部磁场

强度不足而增大。因此要减小欠饱和误差，须选用磁场足够强的磁铁。在本论文

中，要使磁阻芯片 APS00B 工作在饱和模式下，磁场强度需大于 190G。

（2）安装误差：当旋转磁铁和传感器相对位置安装不当（主要表现为两者

几何尺寸不同心或平面不平行）时，会产生安装误差。由于几何尺寸不同心而造

成传感器的部分材料处于非均匀磁场作用下时，传感器输出信号会严重变形，从

而引入误差。这些都属于结构误差，该误差大小与所选磁铁的形状、太小密切相

关。

（3）温度的影响：由于两电桥共置于同一膜片上，电桥材料相同，可认为

环境对其影响程度几乎一致，两电桥受环境（主要是温的度）的影响同时抵消，

所以可以忽略温度的影响。在一些具有较大的工作温度范围应用场合，也可以考

虑采用能进行误差校正的温度监控电路来补偿温度漂移。

最后，对本文的工作进行了总结并提出了下进一步的工作和研究方向。

本文所研制的系统可以同时测量摇窗电机驱动器和齿轮的旋转位置和速度。

该系统已经经过不同环境下的测试验证，结果表明，本系统具有较高的准确度和

灵敏度（对于驱动器测量精度达 0.8 度，对于齿轮测量精度达 0.06 度）。同时该

系统还具备低成本、小体积、耐污染、抗振动等特点，应用前景广阔。本系统目

前已成为德国博泽公司的一个标准测试校准工具。

关键词：AMR 传感器位置检测数据采集电机

ABSTRACT

Window regulator motor is an essential component of automotive electronic control

systems. The position detection and speed measurement are crucial technology to

improve the precision of the motor control system. To test the behavior of Brose new

developed window regulator motor and improve the performance of the window

regulator system, as well as to meet some specific accuracy requirements, the

development of a high precision rotary measurement system for the window regulator

motor has attracted extensive attention.

Accompany with the development of digital technology and the integrate circuit

technology, sensors are designed towards micromation and intelligence. Hence the

concept of sensor is extended from a single transducer to a system which is able to

collect, process, store and transmit. According to the development trend of the rotary

sensor and the function characteristic of the intelligent sensor, a contactless intelligent

rotary measurement system, which is based on the Honeywell magnetoresistive sensor

APS00B operating in saturation mode, for window regulator motor has been developed

in this thesis.

Firstly, the background of the thesis and current status of the rotary position

measurement are explained. Secondly, the measuring principle of the magnetoresistive

sensor is introduced, Thirdly, the architecture and hardware design of the system are

described in detail. Then the software design is presented. Finally the measure results

are analyzed and error compensation ideas are presented in this thesis.

This system can measure the rotary position and speed of the driver and gear in window

regulator motor. The system has been tested in different environment, and the results

show that it has a precision of 0.8o for the driver and 0.06o for the gear. It can overcome

the impurity pollution and mechanism vibrations and have the abilities of low cost and

small volume, so it has capacious application foreground. It has become a standard

calibration tool in Brose Company.

Key Words: AMR sensor, Position detection, Data acquisition, Motor

Table of contents

ABSTRACT

Chapter 1 Introduction ...................................................................................................... 1

§1.1 Background and significance of the subject .......................................................... 1

§1.2 The status and development trend ......................................................................... 2

§1.3 Research content ................................................................................................... 4

Chapter 2 Magnetoresistance effect and the principle of Anisotropic Magneto-Resistive

sensor ................................................................................................................................ 6

§2.1 Hall Effect ............................................................................................................. 6

§2.2 Magnetoresistance effect ....................................................................................... 7

§2.3 AMR effect sensor ................................................................................................ 8

§2.4 Rotary position sensing principle ........................................................................ 13

Chapter 3 System hardware design ................................................................................ 15

§3.1 System overview ................................................................................................. 15

§3.2 Position sensing and sensor chip ......................................................................... 15

§3.2.1 Magnet .......................................................................................................... 15

§3.2.2 AMR sensor .................................................................................................. 16

§3.3 Signal conditioning ............................................................................................. 19

§3.3.1 Signal amplification ...................................................................................... 20

§3.3.2 Offset compensation ..................................................................................... 21

§3.3.3 Low-pass filter .............................................................................................. 22

§3.4 Data acquisition ................................................................................................... 23

§3.5 System power supply .......................................................................................... 26

§3.5.1 System power supply solution ...................................................................... 26

§3.5.2 Power supply noise suppression and filtering ............................................... 27

§3.6 PCB and EMC protection .................................................................................... 27

§3.7 Structural design and implementation of rotary position sensing ....................... 29

§3.7.1 Driver position measurement over the cable drum ....................................... 29

§3.7.2 Gear position measurement over the armature ............................................. 30

Chapter 4 Software development and position calculation ............................................ 32

§4.1 Software development environment.................................................................... 32

§4.1.1 Overview of CANape ................................................................................... 32

§4.1.2 Supported measurement systems for analog and digital measurement ........ 33

§4.1.3 Function editor .............................................................................................. 34

§4.2 Creating the measurement project in CANape .................................................... 35

§4.2.1 Configuring the USB-6009 in MAX ............................................................ 35

§4.2.2 Creating a new project .................................................................................. 36

§4.2.3 Adding the DAQ device to the Device List .................................................. 37

§4.3 Position calculation and programming ................................................................ 41

§4.4 Intrinsic self-diagnosis ........................................................................................ 44

§4.5 User interface ...................................................................................................... 45

Chapter 5 Test results and analysis................................................................................. 48

§5.1 Measurement system ........................................................................................... 48

§5.2 Checking measurement accuracy for the gear ..................................................... 48

§5.3 Checking measurement accuracy for the driver .................................................. 50

§5.4 Speed detection with AMR sensor ...................................................................... 51

§5.5 Test the behavior of the window regulator with the rotary measurement system52

§5.6 Measurement error analysis ................................................................................ 53

§5.6.1 Error analysis of under-saturated magnetic field strength ............................ 53

§5.6.2 Error analysis of off center alignment .......................................................... 55

§5.6.3 Influence from the temperature ..................................................................... 56

Chapter 6 Summary and outlook .................................................................................... 57

References ...................................................................................................................... 59

Paper and research .......................................................................................................... 62

Acknowledgement .......................................................................................................... 63

List of figures

Fig. 1.1 Window regulator and window regulator motor ................................................. 2

Fig. 1.2 Conventional vs. magnetic sensing ..................................................................... 4

Fig. 2.1 An illustration of the electromagnetic theory behind the Hall Effect ................. 6

Fig. 2.2 The magneto-resistive effect ............................................................................... 9

Fig. 2.3 Magnetic field strength and a resistance rate of change.................................... 10

Fig. 2.4 AMR bridge with applied field ......................................................................... 12

Fig. 2.5 Double bridge AMR sensor layout ................................................................... 13

Fig. 2.6 Measurement principle of a magnetoresistive double bridge sensor generating

two sinusoidal signals with a 90o phase shift ........................................................... 14

Fig. 3.1 The constitute of the measurement system ....................................................... 15

Fig. 3.2 Super magnet ..................................................................................................... 16

Fig. 3.3 Pinout and sensing element location of APS00B .............................................. 18

Fig. 3.4 Sensing outputs vs. rotation angle ..................................................................... 18

Fig. 3.5 Offset error of APS00B ..................................................................................... 19

Fig. 3.6 Internal architecture of three-op-amp instrumentation amplifiers INA114. ..... 21

Fig. 3.7 Trimming of output offset voltage. ................................................................... 22

Fig. 3.8 Cascade connection of two R-C low-pass filters .............................................. 22

Fig. 3.9 NI USB-6009 .................................................................................................... 23

Fig. 3.10 NI USB-6009 block diagram .......................................................................... 24

Fig. 3.11 NI USB-6009 analog input circuitry ............................................................... 24

Fig. 3.12 System power supply solution ........................................................................ 26

Fig. 3.13 Noise on power lines ....................................................................................... 27

Fig. 3.14 Noise reduction from capacitor. ...................................................................... 27

Fig. 3.15 3W rule and bending at 45o ............................................................................. 28

Fig. 3.16 Driver position measurement over the cable drum ......................................... 29

Fig. 3.17 Sectional drawing of driver position measurement ......................................... 30

Fig. 3.18 Gear position measurement over the armature ................................................ 31

Fig. 3.19 Sensing wave of the ring magnet on the armature .......................................... 31

Fig. 4.1 Overview of CANape ........................................................................................ 32

Fig. 4.2 Measurement hardware for CANape................................................................. 34

Fig. 4.3 CANape function editor .................................................................................... 35

Fig. 4.4 Window for configuration of the analog input .................................................. 36

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摘要摇窗电机是汽车电子控制系统的重要组成部分，摇窗电机旋转位置的检测和速度的测量是提高了摇窗电机控制系统精度的关键技术。为了测试德国博泽公司新开发的摇窗电机的特性，提高摇窗电机系统的性能，以及满足一些特定的精度要求，本课题对高精度摇窗电机旋转测量系统进行了研究与开发。随着数字技术及集成电路技术的发展，传感器也逐步走向智能化、微型化。随着智能化程度的进步，传感器自身的概念也逐步扩展，由单一的敏感元件扩展为集信号获取、处理、存储、与传输等功能在内的新型传感器系统。本论文叙述了旋转传感器和智能传感器的功能特点和发展趋势，通过分析旋转传感器的研究现状，根据磁阻旋转传感器具备非接触式测量、成本低廉、能适...

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