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A1332角度传感器集成电路的先进片上线性化

A1332角度传感器集成电路的先进片上线性化

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通过Alihusain Sirohiwala和韦德汇流，
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介绍

从工业自动化和机器雷竞技最新网址人到电子动力转向和电机位置传感等许多行业的应用都需要监控旋转轴的角度，无论是轴上还是轴外布置。

任何成功的角度测量系统的设计都需要基于特定的用户需求。雷竞技最新网址这些可能包括:安排(离轴或对轴)，气隙，精度和温度范围，以及其他。特别是，最大限度地减小温度的角度误差、位置偏差和气隙是一个关键目标。

这些变量依次与系统关卡设计选择相关，如磁体几何形状、磁体排列(轴上或轴外)、磁性材料和机械公差。因此，角度传感器集成电路需要灵活性，以便在不增加系统级设计的复杂性和成本的情况下，绕过这些潜在的误差源。即使是最好的磁角传感器IC，也只取决于它所感知的磁场。

磁角测量系统有两个主要的误差来源:

  • 传感器IC相关误差:固有非线性、参数温度漂移和噪声。
  • 磁输入相关误差:场强变化和场强非线性。

角度误差是指磁铁的实际位置与角度传感器IC测量到的磁铁位置之间的差值。这种测量是通过读取角度传感器IC的输出并与高分辨率编码器进行比较来完成的。

当在设计中使用磁体时，磁输入在整个旋转范围内可能不是均匀的:它将有固有误差。这些磁输入误差会导致系统中的测量误差，当考虑具有更高固有磁误差的侧轴或离轴设计时，这些误差变得特别重要-见图1。

图1

图1:离轴(左)和离轴(右)

如果磁场输入的误差占主导地位，即使是最精确校准的角度传感器IC也会产生不准确的结果。在大多数情况下，即使在轴上的磁性设计也会遭受相对较大的偏差，这些偏差发生在客户模块在生产线上的组装过程中。这些磁误差源是不可避免的，减轻它们往往是不可能的，而且几乎总是昂贵的。

至于角度传感器IC相关的误差，在发货给客户之前，由制造商对固有的非线性和参数温度漂移进行优化。使用片上滤波可以优化客户应用的噪声性能。

先进的线性化

本文档介绍角度传感器IC (Allegro)A1332）在这个问题是通过使用先进的线性化技术来补偿这些误差在结束行客户的制造地点解决。特别是，它显示了输入如何磁性超过相关的±20°的错误可以被线性化到低达±0.3°：大致为65×改进。

可基于来自周围传感器IC的角度目标磁体的单次旋转的数据进行该线性化。从该旋转角度的读数被用来产生然后可以被存储到片上EEPROM线性化系数，优化传感器IC该角度为该磁系统。

A1332角度传感器IC采用了两种不同的线性化技术:分段线性化和谐波线性化：

  • 分段线性化是一种可编程特性,允许调整角度传感器集成电路的传输特性,应用线性变化磁场矢量角可以作为相应的线性输出角增量的角度传感器集成电路。它是对收集到的数据从一个旋转的磁铁TH.e angle sensor IC.
  • 谐波线性化采用15个校正谐波的形式进行线性化，这些校正谐波的相位和幅值是通过对磁体绕角度传感器IC旋转一次所收集的数据进行FFT(快速傅里叶变换)来确定的。

这两种技术可使用快板提供的软件计算的系数和节目片上EEPROM很容易实现。接触你们当地的Allegro代表获取最新的dll、软件图形界面和编程硬件。

定义

气隙

在讨论磁场传感器时，可以使用两种不同的气隙定义:封装气隙和晶体气隙。

包气隙

包气隙被定义为传感器外壳的最近边缘与最近的面/磁体的切线平面之间的距离。

水晶气隙

晶体气隙定义为传感器外壳中的传感元件与磁铁最近面之间的距离。

为了说明这种差异，图2显示了侧轴或离轴配置中A1332角度传感器IC和磁铁的晶体气隙(4.0 mm)和封装气隙(2.386 mm)。

在本文件中，除非另有说明，否则术语气隙始终指包装气隙。传感元件位于包装顶面下方0.36 mm处。传感元件中心与包装最近短边之间的距离为1.614 mm。

图2.

图2：晶体气隙与封装气隙

角误差

角误差是磁体的实际位置和由传感器IC的角度测量的所述磁体的位置之间的差。该测量是通过读取传感器IC输出的角度，并将其与高分辨率编码器进行比较（见图3）。

图3.

图3:角度误差定义

精度误差

本文档中进一步向下，则显示角度误差为未对准的函数。为了这个目的，有必要引入单一角度误差定义一个完整的旋转。上一个完全旋转的“汇总”的角度误差被定义为角度精度误差，并且计算根据以下公式：

精度误差

换句话说，它是从0°到360°之间的一条完美直线的偏差幅值。

角度传感器集成电路相关误差和磁输入相关误差的区分是非常重要的。本文档强调了A1332角度传感器集成电路的先进功能，可用于补偿磁输入相关的误差。

至于角度传感器IC相关的错误而言，固有的非线性和参数温度漂移对每个快板角传感器IC在结束线Allegro的测试操作（参见数据表的规格的那些参数）运送给客户之前进行了优化。噪性能也能为客户应用程序通过使用片内滤波优化（见乳清酸设置在A1332编程手册）。

磁铁

为了比较分段线性化和谐波线性化两种方法的性能，在同一磁体上进行了两种方法的线性化。使用的磁铁是钕N45双极环磁铁从超级磁铁。图4和图5说明了磁铁的尺寸。

图4

图4:磁体R1尺寸

图5

图5:磁铁R2尺寸

表1:关轴(左)和开轴(右)
磁铁的名字 制造商 内径 外直径 高度 材料
R1 超级磁铁 7毫米 10毫米 3毫米 N45镀镍
R2 超级磁铁 5毫米 10毫米 5毫米 N45镀镍

平均磁场与气隙关系

系统设计的第一步是为应用气隙选择合适的磁铁。通常，气隙在2至4 mm的范围内。图5显示了磁场作为磁铁R1和R2气隙的函数。

默认情况下，许多Allegro角度传感器ic都经过修剪，以提供300 G (30 mT)的最佳性能。在A1332的情况下，还有一个磁自动缩放功能，可根据要求动态调整内部增益，以补偿气隙的动态变化。然而，应注意磁设计，使气隙变化不会导致磁场过低(信噪比不足)或过高(信号链块饱和)。一般来说，理想的场强约为300g。

图6

图6:磁场矢量(水平分量)大小与气隙
测得通过A1332，对于磁体R1和R2

磁铁误差分析

采用R1磁体，分析了用校准过的A1332在理想对准下测量角度时，磁信号中观察到的固有非线性，如图7和图8所示。

图7

图7:带有R2磁铁的侧轴排列

图8.

图8：带磁铁R2的离轴布置，侧视图

基于一个旋转以等距角点采样传感器IC输出的角度，我们得到的传输特性如图9。

图9

图9:目标磁体R1的角度输出

用FFT在频域分析上述角度误差，得到误差与谐波的关系如图10所示。

图10

图10:使用R1磁铁的角度误差光谱分析

图11显示了R2磁铁的类似分析。

图11

图11:使用R2磁铁时角度误差的光谱分析

从FFT数据可以清楚地看出，磁体R1和R2的大部分固有误差来自2nd1圣4TH.， 3理查德·道金斯，而高次谐波则是误差的剩余部分。这种误差的根本原因是径向(BR)和切向(BT.)组件。由角度传感器IC测量其相位或角度的磁场矢量可以表示为两个正交分量BR和BT.，在图12，如图所示。

图12

图12:径向(BR)和切向的(BT.)字段的组成部分

理想情况下，这些分量的振幅应该相同，相位正交。任何偏离这一理想值的情况都会在合成角测量中引起误差。在用于侧轴传感的环形磁体中，径向和切向分量的不匹配是磁体设计和制造过程中固有的，并可能根据制造商和制造方法而变化。在圆柱形磁铁的情况下，通过增加角度传感器IC与磁铁之间的偏心或不对中，可以引入径向和切向不匹配。

这些错配导致具有在多个谐波方面的角度误差的轮廓。因此，很显然，仅校正所述2nd谐波误差项是不够的，特别是在需要高精度性能时。

图13

图13:磁体R1，径向和切向磁场分量

图14

图14：磁铁R2，径向和切向磁场分量

分段线性化

A1332分段线性化是一种可编程功能，允许调整设备的传递特性，使应用磁场的变化可以输出为相应的线性增量。

图15

图15:角度输出使用R1，前和后分段线性化

上面的图15说明的角度输出的A1332都有和没有分段线性化。

为了达到这个目的，必须创建一组初始的线性化系数。用户取15个角度样本:在0到360度全旋转范围的每1/16间隔。0-reference点由LIN_OFFSET EEPROM字段设置。这是零误差点，因此不在系数表中表示。同样，360度点与0参考点相同，在系数表中也没有表示。在段边界处的其他测量角放置在LIN_COEFF1…LIN_COEFF15 eepm字段。下面的说明描述了应用这些线性化系数的基本算法。该方法的示例实现可作为Allegro客户评估软件工具。

实现分段线性化的步骤

  1. 收集数据

    如果需要(CFG_2中的FI和AC位，单词6,EEPROM位12+13,SRAM位16+17,SL位)，关闭所有算法处理，除了分段线性化(SL)，角度补偿(AC)和IIR滤波(FI)。打开分段线性化旁路位(SB位，字6,EEPROM位21,SRAM位25)。这个函数可以用来进行分段线性化所需的测量，而不需要对线性化表进行其他的预编程。

    找到所需的零参考点，实现线性插值段将是+22.5，+45，等等，从这个参考点。对于侧轴，选择误差在峰值或低谷的点是最优的。此时的角度传感器IC读数将在下一步输入LIN_OFFSET系数。

    在增加角度位置的方向移动编码器。如果传感器角输出也不增加,然后设置LR钻头扭转角的方向传感器集成电路或旋转编码器在相反方向的校准步骤中,在这种情况下,post-linearization旋转钻头(RO)可能需要设置校准完成后。更多细节请参阅A1332编程参考。

    移动编码器22.5°，读取15个角度集。这个过程将产生15个LIN_COEFF系数。
  2. 项目系数

    程序LIN_OFFSET与*(4096/360)相乘后，在缩放后用HEX写。

    在与*（4096/360）相乘后对每个林系数进行编程，在重新缩放后以十六进制写入。
  3. 启用线性化

    设置EEPROM位SB=0，因为不再需要绕过线性化函数——步骤1的数据采集已经完成。设置EEPROM位SL = 1(注意:从第1步开始就应该设置为1)以启用分段线性化。角度传感器IC输出现在应该沿着每个分段线性插值，并产生一个校正的角度输出。

结果

图16示出在相对于一个已知的良好的编码器角参考角度误差形式的分段线性化的性能。

图16

图16:使用R1的角度误差，前和后分段线性化

尽管如图所示准确，但图16并不是对真实角度误差性能的深刻描述：它仅显示了传递函数中后线性化误差最小的点处的角度误差。如果用小得多的样品之间的角度步长再次测量同一装置，将看到如图17所示的结果。注意连续线性化点之间的误差“波瓣”。这是预期的，因为在每一段中，误差近似为一条直线，而实际上它是正弦曲线。鉴于这种正弦输入错误模式，图17是使用16段分段方法可以实现的最佳性能。A1332中实施的分段线性化仅允许16段线性化。可以通过增加线段数量或使线段长度可变来提高该方法的性能，以便将更细的线段用于曲率更高的区域。但是，这两种增强都会导致更高的处理时间和复杂性。

图17

图17：使用R1的角度误差，更精细的样本分辨率，分段线性化

谐波线性化

从分析磁铁R1和R2的误差中观察到，很明显，误差本质上是正弦的，这意味着它们通常可以用适当相位和振幅的成分谐波来很好地描述。谐波线性化利用这一特性，并以15次谐波的形式应用线性化，其相位和振幅通过FFT（快速傅立叶变换）确定，FFT（快速傅立叶变换）是通过在客户线路末端绕角度传感器IC旋转磁铁收集到的数据进行的。

图18

图18：使用R 1，预处理和后谐波线性角度输出

在谐波线性化函数中有很大的灵活性。每个谐波的振幅和相位的值存储在12位EEPROM字段中。

可使用4位HAR_MAX EEPROM字段指定线性化中需要应用的谐波数量。此设置确定了用于计算谐波线性化的单个谐波分量（从1到15）的数量（Adv字段用于确定应用于每个分量的谐波）。

2位域“Adv”域设置应用的谐波分量的顺序对之间的增量。所输入的值,N(范围为0到3)，表示有多少次谐波从前一个分量跳过到当前分量。计数被应用为1 +N．例如，第一个组件(0x0C)最小值(N= 0)是1圣和最大值(N= 3)是4TH.谐波。其效果是累积的：当所有的部件都设置为N= 3, 60TH.在第十五分量(0x1A)是可用的。作为一个例子，我们在侧轴配置中使用磁铁R1，以线性化A1332。

除了支持侧轴应用外，这种线性化方法的灵活性在消除客户线尾的静态不对中也雷竞技最新网址非常有用。

实现谐波线性化的步骤

  1. 收集数据

    关闭除温度补偿和IIR滤波之外的所有算法处理，如果需要的话(CFG_2中的FI和TC位，word 6, EEPROM位12+13,SRAM位16+17)。

    在增加角度位置的方向移动编码器。如果角度传感器IC也没有增加，那么要么设置LR位来反转角度传感器IC的方向，要么将编码器旋转到相反的方向进行校准，在这种情况下，可能需要设置后线性化旋转位(RO)。更多细节请参阅A1332编程参考。

    在编码器步骤中移动，使合成数据为2的幂。通常，32或64个均匀间隔的数据点就足够了。
  2. 项目系数

    对测量数据进行FFT，然后根据首选实现对HARMONIC_AMPLITUDE, HARMONIC_PHASE, ADV和HAR_MAX字段进行编程。这些特性的示例实现可从您的Allegro代表处获得。
  3. 启用线性化

    设置EEPROM位HL=1以启用谐波线性化。传感器输出现在应该产生一个校正的角度输出。

结果

图19示出谐波线性性能磁铁R1，与HARMAX = 1〜15（以及所有ADV字段= 0）。换句话说，这表示性能谐波校正递增地从1施加圣直到15TH.谐波。

图19

图19:后谐波线性化角度误差与HARMAX =(1到15)，使用R1

相同的结果总结在图20，以显示相对于施加校正谐波数的峰峰值角度误差（在y轴）。锐减角度误差的2后nd由于光谱误差的大部分都存在于2nd谐波（见分析磁错误）。

图20

图20:线性化的角度误差VS应用的谐波数，使用R1

为了进一步研究谐波线性化的误差性能，特别是当使用小角度步长时，同一设备在每次运行时都用更细的角度步长(更高的分辨率)重新测量几次。数据显示没有潜在的更高的错误区域。线性化后误差小于0.3°。

图21

图21:使用R1的角度误差，更精细的样本分辨率，和谐波线性化

两个分段和谐波线性化技术非常适合于在轴和离轴磁性应用程序。雷竞技最新网址而分段线性化将所述磁性范围分成其以分段方式线性化更小的部分，谐波线性允许误差信号的基于正弦补偿，这有助于除去在高次谐波误差含量不对准以及侧轴安排。从谐波线性增加的行为出现在更高的计算时间成本。

图22描述了添加到谐波线性化中的每个谐波的角度测量的额外延迟。例如，根据图20中的数据，为了达到<1°，至少需要7次谐波校正，增加了35 μs的处理时间延迟。这意味着每一个角度的样品将需要额外的35 μs来处理。相比之下，分段线性化需要额外的22 μs计算时间。因此，对于这种特殊的磁体，谐波线性化的改进误差性能是以额外的13 μs延迟为代价的。

对于许多应用程序来雷竞技最新网址说，额外的延迟不是问题。例如，在典型的电子助力转向(EPS)系统手轮角度传感器ic中，每1ms要求一个新的角度值，这意味着有足够的时间来执行甚至15次谐波的线性化。此外，许多系统将利用A1332的ORATE特性，以减少过采样测量角度时的噪声底限。这也将内在地提供足够的时间来执行线性化函数而不增加延迟，因为额外的平均允许更多的时间用于线性化操作的预算。

图22

图22：增加的角度延迟与使用的谐波数量

XYZ错位对线性化角度传感器集成电路的影响

在本节中，我们分析了一个角度传感器IC的性能，它已经线性化了磁体R1和R2，然后在X, Y和Z轴上绘制了错位误差，如图23所示。对于R1和R2磁铁，我们的初始起始位置分别为X(气隙)= 2.75 mm和4 mm, Y, Z = 0 mm，使得角度传感器IC位于磁铁高度的中间位置。我们使用这个位置作为我们的笛卡尔原点，并根据表2映射这个参考点的不对齐性能。

表2:磁体R1和R2的映射范围和线性化点
磁铁R1轴 Min(毫米) 线性化点(毫米) Max(毫米)
X(气隙) 2．0 2.75 4．5
Y(横向) -2.0 0．0 2．0
Z（垂直） -2.0 0．0 3．0
磁铁R2轴 Min(毫米) 线性化点(毫米) Max(毫米)
X(气隙) 4．0 4．0 8．0
Y(横向) -2.0 0．0 2．0
Z（垂直） -2.0 0．0 3．0

图23

图23:X, Y, Z映射轴的定义

图24

图24:磁体R1和R2的角度误差VS气隙

磁体R1和R2的角度误差性能与气隙(X轴)的关系如图24所示。

通过研究图24中的图可以进行一些观察。从线性化点(用红色圆圈表示)的角度误差值可以清楚地看出，角度传感器IC能够对两个磁体实现非常相似的后线性化性能。从这个有限的角度来看，这两种磁铁可以实现相同的性能。但是，通过研究图24中误差曲线与气隙的形状可以发现，由于角度传感器IC偏离线性化点(红色圈)，R1磁铁(黑色迹线)的误差上升幅度比R2磁铁(蓝色迹线)更大。

例如，将角度传感器IC与磁体R1之间的气隙增大1 mm，其性能下降的程度与将角度传感器IC与磁体R2之间的气隙增大4 mm大致相同。R2磁铁具有更好的气隙性能，这是因为它是一个更厚的环形磁铁(5 mm厚)，而R1 (3 mm厚)。

以类似的方式，我们可以通过比较磁铁R1和R2的两个填充轮廓图（分别如图25和图26所示），分析横向和垂直（Y和Z）轴上的未对准性能。这些图是通过使用实验室测量数据生成的，这些数据映射了空间中每个点的性能。对于两个图，原点（Y=0，Z=0）位置表示线性化点处的性能（与图24中的红点相同）。由于角度传感器IC与该原点未对准，根据图示，在每个点观察到的角度误差被放置在一个颜色“箱”中。图例上的数字表示峰值误差的程度。作为一个例子，在每个图的中间的白色区域表示角度误差性能保持在±1°以下的区域。同样，每个图中的棕色区域表示角度误差大于±7°的区域。

图25

图25：磁铁R1，不对性能（垂直和横向轴）在气隙=2.75毫米

图26

图26:磁铁R2，在气隙= 4mm处的错位性能(垂直和横向轴

从两个等高线图可以看出，在Y和Z的不对中相同的情况下，角度传感器IC +磁铁R2组合的结果比角度传感器IC +磁铁R1的角度误差增加更小。例如，角度误差小于±1°的白色区域为0.669 mm2R1为1.10 mm2对于磁铁R2。此外，与R1相比，R2的白色区域明显垂直“拉长”。考虑到环形磁铁R2（5 mm）的垂直高度大于环形磁铁R1（3 mm），这是有意义的。这些轮廓显示了角度误差性能对磁铁几何形状的依赖性。

结论

A1332角度传感器IC中实现的片上、可编程和可定制线性化允许系统设计师满足上述精度目标，而不会增加系统设计的复杂性和成本。

虽然分段线性化实现了更快的处理时间，在其能力，正确的正弦误差项是有限的。在这方面，谐波线性执行得更好。此外，在谐波线性化方法，特别是改变用于校正谐波数的能力的灵活性，允许用户以达到最佳的折衷的计算时间和错误性能之间。其结果是，角度误差的±20°内可以±0.3°施加线性化时被带到。

最后，利用映射技术，研究了线性化的角度传感器集成电路的机械失调效应。结果表明，较高的环形磁铁对垂直偏差的容忍度更高，而较厚的环形磁铁对气隙变化的容忍度更高。

无论系统级设计师面临怎样的角度感知挑战，Allegro A1332采用合适的磁性设计和先进的片上线性化，可以帮助实现预期的性能，同时最小化增加的复杂性和成本。

最初发表在EE次欧洲，2015年6月。