电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法技术

本发明专利技术提供了一种电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入功能的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。本发明专利技术在每个测量周期都可以判断电位器接触电阻大小，并判断电位器是否出现故障，突然失效可立即发现做出故障处理，避免使用错误测量值造成严重后果。本发明专利技术的运算与判断均由单片机软件完成，电路简单，实现容易，可靠性高。可靠性高。可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法


[0001]本专利技术涉及测量转角电路
，具体地说是一种电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法。

技术介绍

[0002]很多需要测量转角如遥控操作使用的电子摇杆、舵机摇臂转角控制、阀门开度闭环控制、液位测量等场合，需要使用转角传感器将被测转角转换为电信号后进行测量。
[0003]测量转角的元件有多种，其中电位器是最最廉价、简单的测量部件。
[0004]电位器通常是有三个引出端、输出信号与转角呈线性关系的电阻元件。通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与转角呈比例的电压。
[0005]典型电位器测量转角电路如图1所示，VR为转角测量用电位器，上端接入参考电压Vref，下端接入参考地G，电刷产生被测电压Vx，转角的变化使电刷在电阻体位置发生变化，进而使被测电压Vx发生变化，通过测量Vx的绝对值占据参考电压Vref的比例，可计算出被测转角大小。
[0006]典型电位器测量转角等效电路如图2所示，为方便分析将电位器VR等效为3个元件:被电刷分割的上半部分电阻Rup、下半部分电阻Rdown、电刷与电阻体的接触电阻Rcont。正常情况下总电阻即Rup与Rdown之和为电位器VR标称电阻值，约1kΩ~几十kΩ。接触电阻Rcont很小，约1Ω~100Ω。测量电路等效负载电阻Rload很大，约100kΩ~10MΩ。
[0007]将典型测量电路图1中电刷所在位置将电位器分割开的上端电阻Rup、下端电阻Rdown转换为理想电压源Vs来驱动测量电路等效负载电阻Rload后产生的输出等效电路如图2所示。图2中理想电压源Vs数值等于参考电压Vref作用在理想分压器Rup、Rdown产生的开路电压（理想电压源）即Vs=Vref*Rdown/(Rup+Rdown)。电位器内阻Rs=Rup*Rdown/(Rup+Rdown)，可看出当Rup=Rdown时Rs最大，数值为Rs=1/2*Rup=1/2*Rdown。电刷与电阻体接触电阻Rcont与Rs串联构成电位器总等效内阻Rcont+Rs。由于上端电阻Rup与下端电阻Rdown范围通常在0Ω~几十kΩ，得出电位器内阻Rs范围在0Ω~几十kΩ。
[0008]电位器性能正常时，接触电阻Rcont范围约1Ω~100Ω。由于电位器内阻Rs与接触电阻Rcont串联，则二者之和在电位器性能正常时范围在1Ω~几十kΩ间。由于测量电路等效负载电阻Rload很大，约100kΩ~10MΩ。从图3中可以看出，输出电压Vx等于电位器内阻Rs与接触电阻Rcont串联后与等效负载电阻Rload对理想电压源Vs分压后产生Vx，当电位器内阻Rs与接触电阻Rcont之和（Rs+Rcont）在1Ω~几十kΩ间变化时，第一输出电压Vx1≈理想电压源Vs，此时电位器内阻Rs与接触电阻Rcont之和（Rs+Rcont）对输出电压Vx影响可以忽略。
[0009]对图2进一步变换，将测量电路负载电阻Rload与理想电压源Vs、电位器内阻Rs合并后，得到等效电路如图3所示。其中Vx为测量电路得到的输出电压。由于进行了等效，使得Vx=Vs
’
。Vs
’
为等效电压源，Rs
’
为电压源等效内阻。可以看出当Rs+Rcont在1Ω~几十kΩ间变化时，等效电压源Vs
’
近似等于理想电压源Vs，Rs+Rcont对输出电压影响可以忽略。电位
器电刷磨损后，接触电阻Rcont会增大，可以看出当Rcont从几十Ω增大至负载电阻Rload的10%时会导致等效电压源Vs
’
的电压变为Vs*Rload/(10%*Rload+Rload)=Vs/1.1=0.91*Vs，偏低了9%。由此看出输出电压变化受理想电压源Vs影响，也受接触电阻Rcont影响，当Rcont增加至等效负载电阻Rload的10%时，其带来的误差已达到1
‑
0.91=0.09=9%。
[0010]如果能在Rcont增大到不超过负载电阻Rload的1％之前（即1kΩ~100kΩ，视负载电阻Rload而定）发现该情况，此时测量误差还未超过1%，就可及早判定电位器出现故障。
[0011]电位器VR是机械部件，由于电刷的存在并且在工作过程存在机械磨损和电阻材料老化（影响上端电阻Rup、下端电阻Rdown）、电刷的磨损与氧化（影响接触电阻Rcont）问题，就不可避免存在就不可避免存在寿命后期出现接触不良的缺点。虽可以通过改进工艺与材料提高电位器VR的寿命，但由于其机械属性的存在，磨损与老化问题就会始终存在。
[0012]电位器VR作为传感器使用时，如果其处于故障状态（上端电阻Rup或下端电阻Rdown不正确、接触电阻Rcont过大）就无法保证输出电压Vx与转角关系的正确性，此时系统若未发现电位器处于故障状态及时进入故障模式做出相应处理而使用了故障电位器输出的错误信号作为执行依据，在对转角测量正确性要求较高的场合就会产生较为严重的后果，如舵机摇臂转角控制、阀门开度控制、遥控操作摇杆角度测量等。
[0013]使用无接触式传感器例如霍尔、光栅类传感器或使用两个电位器VR同轴连接后进行信号校验操作可减少测量出错概率，但无接触式传感器成本较高，在对成本敏感的场合不适用。用两只电位器VR同轴连接后进行信号校验虽然成本不高并可通过校验发现电位器VR故障但构造与电路相对复杂，提高了故障率，还需要使用两个模数转换器（模数转换器ADC）分别测量两个电位器VR输出电压，提高了一倍成本。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的之一就是提供一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，以解决现有技术中电位器电刷材料老化、磨损和对成本敏感的问题。
[0015]本专利技术的目的之一是这样实现的：一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。
[0016]进一步地，本专利技术可以按如下技术方案实现：参考电压Vref的正极端X一路接电位器VR上端，另一路接单片机U的供电电压VCC端；参考电压Vref的负极端Y接地。
[0017]输出电压Vx负极端接地，正极端接电位器VR的电刷。
[0018]单片机U控制开关K1和开关K2，IO口端连接在开关K1和开关K2之间。
[0019]所述单片机为STM32F103C8T6。
[0020]所述电位器VR有若干个上下端并联在一起，所述偏置电阻Rtest数量与所述电位器VR相同，并且一端与各自对应电位器VR电刷相连接，另一端分别与单片机具有推挽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入功能的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。2.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，参考电压Vref的正极端X一路接电位器VR上端，另一路接单片机U的供电电压VCC端；参考电压Vref的负极端Y接地。3.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，输出电压Vx负极端接地，正极端接电位器VR的电刷。4.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，单片机U控制开关K1和开关K2，IO口端连接在开关K1和开关K2之间。5.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，所述单片机为STM32F103C8T6。6.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，所述电位器VR有若干个上下端并联在一起，所述偏置电阻Rtest数量与所述电位器VR相同，并且一端与各自对应电位器VR电刷相连接，另一端分别与单片机具有推挽输出和高阻输入功能的IO口相连接。7.一种电位器型转角传感器实时故障判别方法，其特征是，包括如下步骤：A、所述电位器型转角传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：温航宇，满津，蒋富雄，周云亮，尹倩倩，
申请(专利权)人：石家庄数英仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：