A1335角度传感器集成电路的先进片上线性化

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作者:Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing
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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，工业领域的许多应用都需要在轴上或轴外布置时监测转轴的角度。

任何成功的用于上述应用的角度测量系统的设计都必须基于特定应用的需要。雷竞技最新网址这些包括:安排(离轴或在轴上)，气隙，精度，温度范围，等等。

磁角测量系统有两个主要的误差来源:

传感器IC相关错误:

1. 内在的非线性;
2. 参数温度漂移;
3. 噪音。

磁输入相关误差:

1. 磁场强度变化;
2. 非线性。

每个Allegro角度传感器IC在生产过程中使用均匀磁场进行测试和校准。因此，在角度传感器集成电路交付给客户之前，集成电路的固有非线性和温度漂移被降低到最小。有关温度漂移信息，请参阅产品数据表。

当在设计中使用磁体时，磁输入很可能在整个旋转范围内不均匀——它将有固有误差。这些磁输入误差导致了系统的测量误差。

当考虑具有更高固有磁误差的侧轴或离轴设计时，这些因素变得特别重要。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，甚至是轴上的磁性
在生产线上客户模块的装配过程中，设计会出现相对较大的偏差。这些磁误差源是不可避免的，减轻它们几乎总是昂贵的，往往是不可能的。

方法Allegro A1335角度传感器集成电路是通过使用先进的线性化技术来解决这个问题，在客户的生产线末端制造位置补偿这些误差。

该文件显示了如何通过A1335将超过±20度的磁输入相关误差线性化至±0.3度——大约是65倍的改进。

这种线性化可以根据目标磁体围绕角度传感器IC的单次旋转的数据来执行。从这个旋转的角度读数被用来产生线性化系数，然后可以存储到片上EEPROM中，优化角度传感器IC，用于该磁性系统。Allegro可以提供必要的软件和/或dll，帮助客户在其终端对这些设备进行编程。

线性化选项

在A1335角度传感器IC中提供了两种线性化技术分段线性化，第二个叫谐波线性化．

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the angle sensor IC.

另一方面，谐波线性化应用线性化的形式11校正谐波的相位和振幅决定通过一个FFT(快速傅里叶变换)上执行收集的数据从一个磁铁的旋转角度传感器IC。这两种技术可以方便地使用Allegro-provided软件来实现计算系数和片上EEPROM程序。联系您当地的Allegro代表获取最新的dll、软件gui和编程硬件。

定义

气隙

当讨论磁场传感器时，可以使用两种不同的气隙定义:包气隙和水晶气隙．

包气隙

封装气隙定义为传感器外壳最近的边缘与磁铁最近的面/切面之间的距离。

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A1335角度传感器IC和磁铁的晶体气隙(4.0 mm)和封装气隙(2.407 mm)。

在本文件中，术语气隙除非另有说明，否则总是指包装气隙。传感元件位于封装顶部表面以下0.36毫米。传感元件中心与封装最近短边之间的距离为1.593 mm。

角误差

角度误差是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。这个测量是通过读取角度传感器IC的输出，并将其与高分辨率编码器进行比较来完成的(参见图3)。

精度误差

在本文档中，角度误差显示为不对准的函数。为此目的，有必要引入一个单角度误差定义为全旋转。将一次全回转的“汇总”角误差定义为角精度误差，计算公式如下:

换句话说，它是0到360度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A1335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。

就角度传感器IC相关误差而言，在发货给客户之前，在Allegro的生产线结束测试操作中，每个Allegro角度传感器IC的固有非线性和参数温度漂移都进行了优化(这些参数参见数据表规范)。噪声性能可以优化
使用片上滤波(参见A1335编程手册中的ORATE设置)。

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偶极环磁铁从超级磁铁。图4和图5说明了磁铁的尺寸。

表1:关轴(左)和开轴(右)

磁铁的名字	制造商	内心的 直径	外 直径	高度	材料
R1	超级磁铁	7毫米	10毫米	3毫米	N45 镀镍的
R2	超级磁铁	5毫米	10毫米	3毫米	N45 镀镍的

平均磁场与气隙的关系

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 ~ 4mm范围内。图5为磁体R1和R2的磁场与气隙的函数关系。

默认情况下，许多Allegro角度传感器ic按照数据表规格裁剪为300 G (30 mT)。在A1335的情况下，还有一个磁自动缩放功能，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，300g到1000g的场强是理想的，较高场强的噪声性能更好。

磁铁误差分析

利用magnet R1和R2，分析了测量角度时磁信号中观察到的固有非线性。测量使用校准的A1332, A1335的前身，在理想的对准下，如图7和8所示。

通过在等距离角点对角度传感器IC输出进行一次旋转采样，得到如图9所示的传输特性。

利用FFT在频域对上述角度误差进行分析，得到误差与谐波的关系如图10所示。

图11显示了R2磁铁的类似分析。

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2^nd1^圣， 4^th， 3^{理查德·道金斯}高次谐波是误差的剩余部分。这种误差的根本原因是径向(B_r)和切向(B_t)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B_r和B_t如图12所示。

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。

这些不匹配导致在多个谐波项的角度误差轮廓。因此，很明显，只有纠正2^nd谐波误差项是不够的，特别是在需要高精度性能时。

分段线性化

A1335分段线性化是一种可编程功能，允许调整设备的传输特性，使应用磁场的变化可以输出为相应的线性增量。

图15，上面说明的角度输出的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。零参考点由LIN_OFFSET EEPROM字段设置。这成为零误差点，因此不表示
在系数表中。同样，360度点与零参考点相同，在系数表中也没有表示。在段边界处测量的其他角度放置在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通过Allegro客户评估软件工具获得。图15显示了角度
输出相对于编码器参考，两者都有和没有分段线性化应用。图16显示了角度误差减去参考编码器值，既有分段线性化应用，也有不应用。图17显示了应用分段线性化的角度误差轮廓的放大图。

实现分段线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关闭所有后线性化算法处理;这包括零偏移、后线性化旋转(RO)、短行程反转(IV)和旋转模位(RD)。预线性化调整可以保持开启状态，如ORATE设置、IIR滤波器(FI)和预线性化旋转(LR)。
   
   通过将SL设置为1 (CFG_2中的SL位，单词6,EEPROM位16,SRAM位20)来实现分段线性化。打开分段线性化旁路位(SB位，字6,EEPROM位21,SRAM位25)。这允许在不使用线性化系数的情况下进行测量。
   
   找到所需的零参考点，实现线性插值段将从该参考点为+22.5，+45.0等。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。如果传感器的角度输出没有增加，则可以设置LR位来反转角度传感器IC的方向，或者在此校准步骤中向相反的方向旋转编码器。(在这种情况下，后线性化旋转位(RO)可能需要在校准完成后设置)。更多细节请参阅A1335编程参考。
   
   移动编码器22.5度的步骤，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LIN_COEFF的每个程序进行编程，重新缩放后用HEX编写。
   
   
3. 使线性化
   
   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以角度误差的形式说明了与已知的良好编码器角度参考相比较的分段线性化性能。

虽然如图所示很精确，但图16并不是对真实角度误差性能的非常深刻的描述。它只显示了传递函数中后线性化误差最小的点的角度误差。如果再次测量相同的设备，使用更小的样品之间的角度步长，结果将如图17所示。注意连续线性化点之间的误差“瓣”。这些都是预期的，因为在每段中，误差近似为一条直线，而实际上它是正弦曲线。给定这种类型的正弦输入误差模式，图17是使用16段分段方法所能达到的最佳性能。

分段线性化实现在A1335只允许这个16段线性化。该方法的性能可以通过增加段数或使段长度可变来改善，以便更精细的段可以用于曲率更高的区域。
然而，这两种增强都会导致更高的处理时间和复杂性。

谐波线性化

从这一节中可以看出，通过分析磁体R1和R2的误差，可以清楚地看到这些误差在本质上是正弦的，这意味着它们通常可以用适当的相位和振幅的组成谐波很好地描述。谐波线性化利用这个属性并应用线性化形式的11次谐波的相位和振幅的决心通过FFT(快速傅里叶变换)上执行收集的数据从一个磁铁的旋转角度传感器IC在客户的行尾。

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值存储在12位EEPROM字段中。

需要在线性化中应用的谐波数可以由用户使用4位HAR_MAX EEPROM字段指定。这个设置决定有多少个单独的谐波分量(从1到11)用于计算谐波线性化。(Adv字段用于确定每个组件应用哪些谐波。)

2位域“Adv”域设置应用的谐波分量的顺序对之间的增量。输入的值n(在0到3的范围内)表示从前一个分量到当前分量要跳过多少次谐波。计数被应用为1 + n。例如，第一个组件(0x0C)最小值(n = 0)是1^圣谐波和最大值(n = 3)是4^th谐波。这种影响是累积的;当所有组件设置为n = 3时，44^th谐波在第十五分量(0x16)可用。例如，磁体R1用于侧轴配置，以线性化传感器。

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
   
   关闭所有后线性化算法处理;这包括零偏移、后线性化旋转(RO)、短行程反转(IV)和旋转模位(RD)。预线性化调整可以保持开启状态，如ORATE设置、IIR滤波器(FI)和预线性化旋转(LR)。
   
   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A1335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个等间距的数据点就足够了。
   
   
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. 使线性化
   
   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显示了磁体R1的谐波线性化性能，在A1332上测量的HARMAX = 1到11(所有ADV字段= 0)。(并且所有ADV字段都= 0)。换句话说，这显示了从1开始增量应用谐波校正时的性能^圣到11^th谐波。

图20总结了相同的结果，显示了pk-pk角度误差(在y轴上)与应用的校正谐波的数量。角误差急剧下降后2^nd由于光谱误差的大部分都存在于2^nd谐波(见分析磁误差一节)。

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，相同的设备被重新测量了几次，每次运行的角度步长更小(分辨率更高)。数据显示没有潜在的更高的错误区域。后线性化误差小于0.3度。

角度考虑延迟

分段和谐波线性化技术都非常适合轴上和轴外磁应用。雷竞技最新网址分段线性化将磁范围划分为更小的部分，这些部分以分段方式线性化，谐波线性化允许基于正弦的误差信号补偿，这有助于消除错位和侧轴安排中的高谐波误差内容。谐波线性化带来的额外性能是以较高的计算时间为代价的。图22描述了从添加到谐波线性化的每一个额外谐波所增加的角度测量的延迟。例如，根据图20的数据，很明显，要达到<1度，至少需要7次谐波的校正。现在，看看图20中与7次谐波相关的处理时间中增加的延迟，它是35 μs。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，改进的误差性能
谐波线性化的代价是额外的13 μs延迟。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11次谐波的线性化。此外，许多系统将利用A1335的ORATE特性来降低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。

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，该传感器对磁体R1和R2进行了线性化，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。以下数据是使用Allegro A1332角度传感器采集的;A1335的性能将类似或更好。

表2:磁体R1和R2的映射范围和线性化点

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看出，由于角度传感器IC偏离线性化点(红色圈)，R1(黑色线迹)的误差上升幅度比R2(蓝色线迹)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磁铁的气隙性能较好，是因为它是一个较厚的环形磁铁(5 mm厚)，而R1 (3 mm厚)。

同样，通过比较磁体R1和R2的两个填充等高线图(分别如图25和图26所示)，可以在水平轴和垂直轴(Y和Z)上分析其不对中性能。这些图是由空间中每个点的实验室测量数据生成的。对于这两个图，原点(Y = 0, Z = 0)位置表示线性化点的性能(与图24中的红点相同)。由于角度传感器IC从这个原点偏移，观察到的每个点的角度误差被放入一个彩色“箱”中，如图所示。图例上的数字表示误差峰值的程度。例如，每个图中间的白色区域表示角度误差性能保持在±1度以下的区域。同样，每个图中的棕色区域表示角度误差大于±7度的区域。

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 +磁体R2组合的结果比角度传感器IC +磁体R1的角度误差增大更小。例如，角度误差小于±1度的白色区域为0.669 mm²R1为1.10 mm²R2的磁铁。此外，很明显，与R1相比，R2的白色区域垂直“拉长”。考虑到环形磁铁R2 (5mm)的垂直高度大于R1 (3mm)，这是有道理的。这些轮廓显示了角度误差性能与磁体几何形状的关系。

结论

一个成功的角度传感应用涉及许多因素。最大限度地减小超温角度误差、位置偏差和气隙是关键。这些变量与系统级设计选择有关，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，在不增加系统级设计的复杂性和成本的情况下，角度传感器集成电路需要灵活地处理这些潜在的误差源。即使是最好的磁角传感器IC，也只能和感应的磁场一样好。

在A1335角度传感器IC中实现的片上、可编程和可定制的线性化，使系统设计师能够在不增加额外复杂性和系统设计成本的情况下满足上述精度目标。

A1335提供了两个线性化选项-分段和谐波。使用参考磁体R1和R2对这两种选择进行了研究。结果表明，虽然分段线性化实现了更快的处理时间，但它在校正正弦误差项的能力有限。在这方面，谐波线性化效果更好。此外，谐波线性化的灵活性，特别是能够改变所使用的校正谐波的数量，允许用户在计算时间和误差性能之间实现最佳权衡。对R1和R2磁体进行线性化后，可以将±20度的角度误差控制在±0.3度以内。

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的角度感知挑战是什么，适当的磁性设计和先进的片上线性化Allegro A1335可以帮助实现预期的性能，同时最大限度地减少增加的复杂性和成本。