A1335角度传感器IC中的先进的片上线性化

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Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing，
亚博棋牌游戏Allegro Microsystems，LLC

介绍

从工业自动化和机器亚博尊贵会员人提供的行业中的许多应用，以电子动力转向和电机位置感测 - 需要监测旋转轴的角度，无论是在轴上还是轴轴布置。

任何成功的角度测量系统的设计都必须基于特定应用的需要。亚博尊贵会员这些包括:布置(轴外或轴上)、气隙、精度和温度范围，以及其他。

磁角度测量系统有两个主要的错误来源：

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。

磁输入相关错误:

1. 场强变化;
2. 现场非线性。

使用均匀磁场在Allegro的生产过程中测试和校准每个Allegro角度传感器IC。结果，在将角度传感器IC运送给客户之前，本征IC非线性和温度漂移减小到最小值。有关温度漂移信息，请参阅产品数据表。

在设计中使用磁铁时，磁性输入很可能在整个旋转范围内均匀 - 它将具有固有的误差。这些磁输入误差会导致系统中的测量误差。

当考虑具有更高的内在磁误差的侧轴或偏离轴设计时，这些因素变得尤为重要。即使是最精确的校准角度传感器IC也会产生不准确的结果，如果磁性输入主导的误差贡献。在大多数情况下，即使在轴上磁性
设计遭受了在生产线上的客户模块组装过程中发生的相对较大的错位。这些磁性误差源是不可避免的，减轻它们几乎总是昂贵的并且通常是不可能的。

这个方法Allegro A1335角度传感器IC是通过使用高级线性化技术来解决此问题，以补偿客户端的线路制造位置的这些错误。

本文档显示了如何通过A1335线切化的磁性输入相关的误差可以通过A1335线切化至低至±0.3度 - 大约为65×改善。

可以基于来自角度传感器IC周围的目标磁体的单个旋转的数据来执行该线性化。该旋转的角度读数用于产生线性化系数，然后可以将其存储到片上EEPROM中，优化该磁系统的角度传感器IC。Allegro可以提供必要的软件和/或DLL，以帮助客户在他们的末尾编程这些设备。

线性化选项

在A1335角度传感器IC中有两种线性化技术分段线性化，第二个被称为谐波线性化。

分段线性化是一个可编程特征，其允许调节角度传感器IC的传送特性，使得可以通过角度传感器IC作为相应的线性角度增量来输出所施加的磁场矢量角度的线性变化。它是从角度传感器IC周围的磁体的一个旋转收集的数据上进行的。

另一方面，谐波线性化以11个校正谐波的形式施加线性化，其相位和幅度通过在从磁体周围的磁体的一个旋转周围收集的数据上执行的FFT（快速傅里叶变换）确定。可以使用Allegro提供的软件容易地实现这两种技术，以计算芯片内eEPROM的系数和程序。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

讨论磁场传感器时，可以使用两个不同的气隙定义：包装气隙和水晶气隙。

包装气隙

封装气隙被定义为传感器壳体的最近边缘与磁体的最近面/切平面之间的距离。

水晶气隙

晶体气隙定义为传感器壳体中的传感元件与磁体的最近面之间的距离。

为了说明这种差异，图2显示了A1335角度传感器IC和磁铁在侧轴或离轴配置的晶体气隙(4.0 mm)和封装气隙(2.407 mm)。

在本文件中，该术语气隙除非另有说明，否则始终指的是包装气隙。感测元件在包装的顶部表面下方0.36mm。传感元件中心与封装的最近短边之间的距离为1.593mm。

角度错误

角度误差是通过角度传感器IC测量的磁体的实际位置与磁体的位置之间的差异。通过读取角度传感器IC输出并将其与高分辨率编码器进行比较来完成此测量（参见图3）。

精度误差

在本文档进一步向下，角度误差显示为不对准的函数。为此目的，有必要对完全旋转引入单角度误差定义。将一次满旋转的“总结”角度误差定义为角度精度误差，按下式计算:

换句话说，它是从0到360度之间的完美直线的偏差幅度。

重要的是区分角度传感器IC相关的错误和磁输入相关错误。本文档突出了A1335角度传感器IC的高级功能如何用于补偿磁输入相关的错误。

就角度传感器IC相关误差而言，在发货给客户之前，Allegro的线尾测试操作(这些参数参见数据表规范)对每个Allegro角度传感器IC的固有非线性和参数温度漂移进行了优化。可优化噪声性能
通过使用片上过滤，为客户申请（参见A1335编程手册中的Orate设置）。

磁铁

为了比较分段或谐波线性化选项的性能，在相同的磁体上执行线性化技术。所用磁铁是钕N45偶极环磁铁，可从超级磁铁获得。图4和图5示出了磁体尺寸。

表1:离轴(左)和上轴(右)

磁铁名称	制造商	内 直径	外 直径	高度	材料
R1.	超级磁铁	7毫米	10毫米	3毫米	N45. ni proated.
R2.	超级磁铁	5毫米	10毫米	3毫米	N45. ni proated.

平均磁场和气隙依赖性

系统设计的第一步是为应用气隙选择合适的磁铁。通常，气隙的范围为2至4mm。图5示出了作为磁体R1和R2的气隙的函数的磁场。

缺省情况下，许多Allegro角度传感器IC被修剪到300克（30吨）的数据表规范。在A1335的情况下，还有一个磁性自动阶段特征，动态调整内部收益以补偿气隙的动态变化。然而，应注意磁性设计，使得气隙变化不会导致太低（信噪比不充分的信号）或太高（信号链块的饱和度）。通常，300g至1000g的场强是理想的，具有更高的噪声性能在较高的场径处。

磁铁误差分析

利用磁体R1和R2，分析了测量角度时磁信号的固有非线性。测量采用了校准的A1332，即A1335的前身，在理想的对准下，如图7和8所示。

基于一个旋转采样在等距角点处的角度传感器IC输出，获得如图9所示的传送特性。

通过FFT分析频域中的上述角度误差，获得如下图10中所示的误差与谐波。

图11显示了对磁体R2的类似分析。

从FFT数据清楚的是，磁铁R1和R2中的大部分固有误差为2ⁿ谐波贡献，而1^圣，4^th，3^rd.高次谐波是造成其余误差的原因。这种错误的根本原因是在径向(B_r）和切向（b_t） 组件。通过角度传感器IC测量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，这些组件应在幅度和正交相同。与该理想度的任何偏差引入了所得角度测量中的误差。在用于侧轴传感的环形磁体中，径向和切向部件中的错配是磁体设计和制造过程所固有的，并且可以根据制造商和制造方法而变化。在圆柱形磁体的情况下，通过在角度传感器IC和磁体之间添加偏心或未对准来引入径向和切向不匹配。

这些不匹配导致具有多个谐波的术语的角度错误配置文件。因此，很明显，只纠正2ⁿ谐波误差术语是不够的，特别是如果需要高精度性能。

分段线性化

A1335分段的线性化是可编程特征，允许调整设备的传送特性，从而可以作为相应的线性增量输出所施加的磁场的变化。

图15，以上说明了A1332的角度输出，无论是否有分段线性化。

为了实现这一点，必须创建一组初始线性化系数。用户取15个角度样本:在从0到360度的完整旋转范围的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，并且在系数表中也不表示。段边界处的其余测量角度放置在Lin_Coeff1 ... Lin_Coeff15 EEPROM字段中。以下说明描述了用于应用这些线性化系数的基本算法。本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
输出与编码器参考，都有和没有分段线性化应用。图16显示了减去参考编码器值的角度误差，无论是应用分段线性化还是不应用分段线性化。图17显示了应用分段线性化后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)。
   
   分段线性化通过设置SL为1 (CFG_2中的SL位，单词6,EEPROM位16,SRAM位20)使能分段线性化。打开分段线性化旁路位(SB位，字6,EEPROM位21,SRAM位25)。这允许在不应用线性化系数的情况下进行测量。
   
   找到所需的零参考点，意识到线性插值的段是从该参考点的+22.5，+ 45.0等。对于侧轴，挑选误差在峰值或谷的位置是最佳的。该点处的角度传感器IC读数将在下一步骤中输入Lin_Offset系数。
   
   向增加角度位置的方向移动编码器。如果传感器角度输出也没有增加，则设置LR位来反转角度传感器IC的方向，或在此校准步骤中以相反的方向旋转编码器。(在这种情况下，校正完成后可能需要设置后线性化旋转位(RO))。更多细节请参见A1335编程参考。
   
   以22.5度的编码步长移动，读取15个角度集。此过程将产生15个Lin_Coeff系数。
   
   
2. 程序系数
   
   在Rescale后用*（4096/360）乘以*（4096/360）后，编写Lin_offset。
   
   在乘以*（4096/360）之后的Lin_Coeff中的每一个，重新划分为Hex。
   
   
3. 使线性化
   
   设置EEPROM位SB=0，不再需要绕过线性化函数(第1步的数据采集已经完成)。设置EEPROM位SL = 1(注意:从第1步开始就应该已经设置为1)，使分段线性化。角度传感器IC的输出现在应该沿着每一段线性插值，并产生一个校正的角度输出。

结果

图16说明了分段线性化性能的角度误差相比，一个已知的良好的编码器角度参考。

虽然准确如图所示，但图16不是对真实角度误差性能的非常有洞察力的描述。它只显示了后光误差最少的传递函数中的点处的角度误差。如果再次测量相同的设备，则在样本之间具有更小的角度阶跃，结果将是图17中所示的结果。注意连续线性化点之间的“裂片”的误差。预期这些是因为在每个段中，误差近似为直线，当时它是正弦的。鉴于这种类型的正弦输入误差模式，图17是通过使用16个段的分段方法实现的最佳性能。

在A1335中实现的分段线性化仅允许该16段线性化。通过增加片段的数量或通过制造段长度可变，可以可以想地改善该方法的性能，从而可以将更细的段用于具有更高曲率的区域。
但是，这两个增强功能都会导致更高的处理时间和复杂性。

谐波线性化

如本节所见，分析磁体R1和R2的误差，可以清楚地看到，这些误差本质上是正弦的，这意味着它们通常可以用适当的相位和振幅的成分谐波来很好地描述。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。

谐波线性化功能内部有很大的灵活性。单个谐波幅度和阶段的值存储在11个谐波中的每一个中的12位EEPROM字段中。

用户可以使用4位har_max EEPROM字段指定需要在线性中应用的谐波数。该设置确定用于计算谐波线性化的单个谐波分量（1至11）。（adv字段用于确定每个组件应用哪个谐波。）

2比特字段'ADV'字段设置顺序对应用谐波分量之间的增量。输入的值n（在0到3的范围内）表示要从上一个组件跳过到当前组件的谐波。计数施加为1 + n。例如，第一个组件（0x0c）最小（n = 0）是1^圣谐波和最大（n = 3）是4^th谐波。效果是累积的;当所有组件设置为n = 3时，44^th第十五个组件（0x16）提供谐波。作为示例，磁体R1用于侧轴配置，以便线性化传感器。

除了启用侧轴应用外，内置线性化方法内置的灵活性也非常有用，可用于在客户亚博尊贵会员端的终端中移除静态未对准错误。

实施谐波线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关闭所有后线性化算法处理;这包括ZeroOffset，后线性旋转（RO），短行程反转（IV），以及旋转芯片比特（RD）。PRELINEALIZTION调整可以留下，例如或者设置，IIR过滤器（FI）和预线性化旋转（LR）。
   
   向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，则将LR位设置为反转角度传感器IC的方向，或者在相反的方向上旋转编码器（在这种情况下，线性化旋转位（RO）可能需要设置）。更多细节请参见A1335编程参考。
   
   在编码器步骤中移动，使得所得到的数据是2.通常，32或64个均匀间隔的数据点。
   
   
2. 程序系数
   
   在测量数据上执行FFT，然后在PromconeL_amplitude，Harmonic_Phase，ADV和HAR_MAX字段上执行FFT。您的Allegro代表可以获得这些功能的示例实现。
   
   
3. 使线性化
   
   设置EEPROM位HL = 1以启用谐波线性化。传感器输出现在应产生校正的角度输出。

结果

图19显示了在A1332上测量的磁体R1的谐波线性化性能，用肛交= 1到11（和所有ADV字段= 0）。（以及所有adv字段= 0）。换句话说，这表明了作为谐波校正的性能从1逐渐应用^圣到11^th谐波。

图20中总结了相同的结果以示出PK-PK角度误差（在Y轴上）与所应用的校正谐波的数量相比。2后的角度误差下降ⁿ预期谐波校正以来，由于频谱误差内容的大部分驻留在2ⁿ谐波(见磁误差分析部分)。

为了进一步研究应用谐波线性化的误差性能，特别是在使用小角度步骤时，同一设备被重新测量几次，每个运行具有更精细的角度步长（更高分辨率）。数据显示没有底层更高的错误区域。后线性化误差是Sub-0.3度。

角度考虑延迟

分段和谐波线性化技术都非常适合于轴和轴外磁性应用。亚博尊贵会员虽然分段线性化将磁场分成较小的部分，其以典型的方式线性化，谐波线性化允许误差信号的基于正弦的补偿，这有助于去除未对准的和侧轴的高谐波误差内容安排。来自谐波线性化的额外性能以更高的计算时间的成本为本。图22描述了从添加到谐波线性化的每个附加谐波的角度测量的附加延迟。例如，基于图20中的数据，可以清楚地实现<1度，需要至少7个校正谐波。现在，在图20中与7次谐波相关联的加工时间中的添加延迟，它是35μs。这意味着每个角度样本将额外的35μs加工。相反，分段线性化需要额外的计算时间为22μs。因此，对于这种特定的磁体，改善的误差性能
谐波线性化以额外的13μs等待时间达成。对于许多应用程序，亚博尊贵会员额外的延迟不是问题。例如，在典型的电子动力转向（EPS）系统手车轮角度传感器IC中，每1毫秒要求新的角度值，这意​​味着甚至有足够的时间来执行11个线性化谐波。此外，许多系统将利用A1335的Orate特征，以减少通过过采样的角度测量的噪声底层。这还将本身可以提供足够的时间来执行线性化功能而无需添加延迟，因为允许更多时间才能预算线性化操作。

XYZ未对流对线性化角度传感器IC的影响

在本节中，我们分析一个角度传感器IC的性能，该IC已经对磁体R1和R2线性化，然后在X、Y和Z轴上映射出不对准误差，如图23所示。对于R1和R2磁铁，我们使用初始起始位置X(气隙)分别为2.75 mm和4 mm, Y, Z = 0 mm，使角度传感器IC定位在磁铁高度的中间。我们使用这个位置作为我们的笛卡尔原点，并根据表2从这个参考映射不对准性能。使用Allegro A1332角度传感器采集以下数据;A1335的性能将类似或更好。

表2：磁铁R1和R2的映射范围和线性化点

图24中示出了作为气隙（X轴）的函数的磁体R1和R2的角度误差性能。

可以通过研究图24中的图进行一些观察。从线性化点的角度误差值(用红色圆圈表示)可以清楚地看出，角度传感器IC能够对两个磁铁实现非常相似的后线性化性能。从这个有限的角度来看，两种磁铁都可以实现相同的性能。然而，通过研究图24中与气隙相对的误差曲线的形状，可以清楚地看到，与磁铁R2(蓝色轨迹)相比，由于角度传感器IC偏离线性化点(红色圆圈)，磁铁R1(黑色轨迹)的误差上升幅度更大。

作为示例，将角度传感器IC和磁体R1之间的气隙增加1mm，导致与增加相同角度传感器IC和磁体R2之间的气隙达到相同的性能下降4mm。磁体R2的更好的气隙性能可以归因于与R1（3mm厚）相比它是较厚的环形磁铁（5mm厚）。

同样，通过比较R1和R2磁铁的两种填充轮廓图，可以分析横向和垂直(Y和Z)轴上的错位性能，分别如图25和图26所示。这些图是通过使用实验室测量数据绘制空间中每个点的性能而生成的。对于这两个图，原点(Y = 0, Z = 0)的位置代表线性化点(与图24中的红点相同)的性能。由于角度传感器IC从这个原点不对准，在每个点观察到的角度误差根据图示放在一个颜色“bin”中。图例上的数字表示峰值误差的程度。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。

从这两幅等高线图中可以看出，对于Y和Z的相同偏差，角度传感器IC +磁体R2组合结果相对于角度传感器IC +磁体R1而言，角度误差增大较小。如角度误差小于±1度的白色区域为0.669 mm²磁铁R1，而它是1.10毫米²对于磁铁R2。另外，与R1相比，显然，对于R2的情况，白色区域是垂直的“细长”。考虑到环形磁铁R2（5mm）的垂直高度大于环磁体R1（3mm）的垂直高度，这是有道理的。这些轮廓显示了角度误差性能对磁铁几何的依赖性。

结论

一个成功的角度传感应用涉及到很多因素。最大限度地减少温度角度误差、位置不对准和气隙是关键。这些变量与系统级设计选择有关，如磁铁几何形状、磁铁排列(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IC需要灵活性来处理这些潜在的误差源。即使是最好的磁角传感器IC也只有当磁场是感觉的好。

芯片上的、可编程的和可定制的线性化，如在A1335角度传感器IC中实现的，允许系统设计者满足上述精度目标，而不增加额外的复杂性和成本的系统设计。

A1335提供两个线性化选项分段和谐波。使用参考磁体R1和R2研究这些选项。结果表明，虽然分段线性化实现了更快的加工时间，但在纠正正弦误差术语的能力中是有限的。在这方面，谐波线性化表现更好。另外，谐波线性化的灵活性，特别是改变所使用的校正谐波数量的能力，允许用户在计算时间和错误性能之间实现最佳权衡。对于磁体R1和R2，可以看到±20度的角度误差可以在±0.3度内施加线性化。

最后，使用映射技术，研究了线性化角度传感器IC的机械未对准的影响。有人看出，一个更高的环形磁铁转化为对垂直未对准的更好耐受性，而较厚的环形磁铁转化为更好的耐受气隙变化的耐受性。

无论系统级设计师面临的角度传感挑战，Allegro A1335中适当的磁性设计和先进的片上线性化的组合可以帮助实现所需的性能，同时最小化增加复杂性和成本。