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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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作者:Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing
亚博棋牌游戏快板微系统公司有限责任公司

介绍

从工业自动化和机器亚博尊贵会员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的要求。亚博尊贵会员这些可以包括：布置（轴轴或轴上），空气间隙，精度和温度范围等。特别地，最小化角度误差超过温度，位置未对准和空隙，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。

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。

只要角度传感器IC相关误差涉及，在向客户发货之前，制造商优化了内在非线性和参数温度漂移。可以使用片上过滤优化噪声性能。

先进的线性化

本文档介绍角度传感器IC (Allegro)A1332)，这个问题是通过使用先进的线性化技术来解决的，以补偿这些误差在客户的生产线末端制造位置。特别是，它显示了如何将超过±20°的磁输入相关误差线性化至±0.3°:大约提高了65倍。

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，然后存储到片上EEPROM中，优化角度传感器IC用于该磁性系统。

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。

这两种技术都可以很容易地使用allegro提供的软件来计算系数和片上EEPROM编程。联系您当地的Allegro代表获取最新的dll、软件图形界面和编程硬件。

定义

气隙

谈论磁场传感器时，可以使用两个不同的气隙定义：包装气隙和晶体气隙。

包装气隙

封装气隙定义为传感器外壳的最近边缘与磁铁的最近面/切面之间的距离。

水晶气隙

晶体空气间隙被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，术语气隙总是指包装气隙。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1.614 mm。

图2

图2：水晶气隙Vs.Package气隙

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(见图3)。

图3

图3：角度误差定义

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:

精度误差

换句话说，它是从0°和360°之间的完美直线的偏差的幅度。

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。

就角度传感器IC相关误差而言，在发货给客户之前，在Allegro的生产线末端测试操作中，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)。通过使用片上滤波，可以为客户应用程序优化噪声性能(参见A1332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：磁铁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

平均磁场和空气间隙依赖性

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显示了作为磁体R1和R2的气隙函数的磁场。

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）幅度与气隙
由A1332测量，用于磁体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：轴外排列，带磁铁R2，侧视图

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

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显示了对磁体R2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英石，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.） 成分。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BR.和BT.，如图12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，径向和切向场部件

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：使用R1的角度输出，预先分割的线性化

以上图15示出了A1332的角度输出，无论是和没有分段的线性化。

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，意识到线性插值的段将来自该参考点的+22.5，+45等。对于侧轴，选择误差处于峰值或谷的点是最佳的。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。

    在增加角度位置的方向移动编码器。如果传感器角度输出不增加，则将LR位设置为反转角度传感器IC的方向或沿对该校准步骤的相反方向旋转编码器，在这种情况下，线性化旋转位（RO）将校准完成后可能需要设置。有关更多详细信息，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，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。

图16

图16:使用R1的角度误差，前和后分段线性化

虽然准确如图所示，但图16不是对真实角度误差性能的富有识别描绘：它只显示了线性化错误最少的传递函数中的点处的角度误差。如果一个人在样本之间再次测量相同的角度较小的角度步长，则可以看到如图17所示的结果。注意连续线性化点之间误差的“裂片”。预期这些是因为，在每个段中，当实际上是正弦的时，误差被近似为直线。鉴于这种类型的正弦输入误差模式，图17是关于最佳性能，可以使用16个段的分段方法实现。在A1332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来可以想到这种方法的性能，从而可以将更精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。

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

从分析磁体R1和R2的误差中可以看出，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性质,应用线性化形式的15次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在客户的行尾。

图18

图18:角度输出使用R1，前谐波和后谐波线性化

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。

可以使用4位HAR_MAX EEPROM字段指定需要在线性中应用的谐波数。此设置确定用于计算谐波线性化的单个谐波分量（1至15）（ADV字段用于确定每个组件应用哪个谐波）。

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英石谐波，最大值（N.= 3)是4TH.谐波。这种效果是累积的:当所有组件设置为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)。有关更多详细信息，请参阅A1332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足够。
  2. 项目系数

    在测量数据上执行FFT，然后根据首选实现程序编程Hasmonic_amplitude，Harmonic_Phase，ADV和HAR_MAX字段。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，HARMAX = 1到15(所有ADV字段都为0)。换句话说，这显示了从1开始进行增量谐波校正时的性能英石直到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

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2nd由于光谱误差的大部分都存在于2nd谐波(见分析磁误差一节)。

图20

图20：使用R1应用的线性化角度误差与应用的谐波数

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，每个运行以更精细的角度步骤（更高分辨率）重新测量相同的设备。数据显示没有底层更高的错误区域。后线性化误差<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

分段和谐波线性化技术都非常适用于轴上和轴外磁性应用。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亚博尊贵会员说，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：添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（mm） 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（mm） 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和z映射轴的定义

图24

图24:磁体R1和R2的角度误差VS气隙

图24中示出了作为空气间隙（X轴）的函数的磁体R1和R2的角度误差性能。

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，我们可以通过比较图25和图26所示的磁体R1和R2的两个填充的轮廓图来分析横向和垂直（Y和Z）轴中的未对准性能。已经通过使用来自Lab测量的数据来生成这些图，映射在空间中的每个点处的性能。对于两个曲线，原点（y = 0，z = 0）位置表示线性化点（与图24中的红色点相同）的性能。随着角度传感器IC从该原点中未对准，根据所示的图例，在每个点观察到的角度误差被放置在颜色“箱”中。图例上的数字代表了峰值误差的程度。作为示例，每个曲线中间的白色区域表示角度误差性能保持低于±1°的区域。类似地，每个曲线中的棕色区域表示角度误差大于±7°的区域。

图25

图25：气隙下磁铁R1，未对准性能（垂直和横向轴）= 2.75 mm

图26

图26:磁铁R2，在气隙= 4mm处的错位性能(垂直和横向轴

看着两个轮廓图，很明显，对于y和z的相同未对准，与角度传感器IC +磁体R1相比，角度传感器IC +磁体R2组合结果是较低的角度误差。作为示例，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。另外，与R1相比，显然在R2的情况下，白色区域在R2的情况下垂直“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

在A1332角度传感器IC中实现的片上，可编程和可定制的线性化允许系统设计者满足上述精度目标，而无需增加系统设计的额外复杂性和成本。

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，谐波线性化方法的灵活性，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。结果表明，线性化后，可使±20°的角度误差在±0.3°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。