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
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需求。亚博尊贵会员这些可能包括: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。
这些变量反过来又与系统级设计选择有关，如磁铁几何结构、磁铁布置（轴上或轴外），磁性材料和机械公差。因此，角度传感器IC需要灵活性，以便在不增加系统级设计复杂性和成本的情况下绕过这些潜在的误差源。即使是最好的磁性角度传感器IC也只能与其感应的磁场一样好。
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：磁场强度变化和磁场非线性。
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。
当在设计中使用磁铁时，磁输入可能在整个旋转范围内不均匀：它会产生固有误差。这些磁输入误差会导致系统中的测量误差，并且在考虑具有较高固有磁误差的侧轴或离轴设计时变得尤为重要-参见F图1。
图1：离轴（左）和轴上（右）
如果磁性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，即使是轴上磁性设计，在生产线上组装客户模块时也会出现相对较大的偏差。这些磁误差源是不可避免的，消除它们通常是不可能的，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。
高级线性化
本文档介绍一种角度传感器IC（AllegroA1332)通过使用先进的线性化技术来补偿客户生产线末端位置的这些误差，解决了该问题。特别是，它显示了如何将超过±20°的磁输入相关误差线性化为低至±0.3°：大约提高65倍。
该线性化可基于来自目标磁体围绕角度传感器IC的单次旋转的数据来执行。该旋转的角度读数用于生成线性化系数，然后将其存储到片上EEPROM中，从而优化该磁性系统的角度传感器IC。
A1332角度传感器IC中使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功能，允许调整角度传感器IC的传输特性，从而使所施加磁场矢量角度的线性变化可以由角度传感器IC输出为相应的线性角度增量。该功能是在磁铁旋转一周时采集的数据上执行的d安装角度传感器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。
使用Allegro提供的软件计算系数和编程片上EEPROM，可以很容易地实现这两种技术。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
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
封装气隙定义为传感器外壳最近边缘与磁铁最近面/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。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的短边之间的距离为1.614 mm。
图2:晶体气隙与封装气隙
角度误差
角度误差是磁铁的实际位置与角度传感器IC测量的磁铁位置之间的差值。该测量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（见图3）。
图3:角度误差定义
精度误差
在本文档中，角度误差显示为未对准的函数。为此，有必要为全旋转引入单角度误差定义。一次完整旋转的“汇总”角度误差定义为角度精度误差，并根据以下公式计算：
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。
就角度传感器IC相关误差而言，在向客户发货之前，在Allegro的线端测试操作中，每个Allegro角度传感器IC的固有非线性和参数温度漂移都得到了优化（这些参数见数据表规范）。通过使用片上滤波，可以针对客户应用优化噪声性能（请参阅A1332编程手册中的设置）。
磁铁
为了比较分段或谐波线性化选项的性能，在相同的磁铁上执行了两种线性化技术。所使用的磁铁为超级磁铁公司提供的钕N45双极环形磁铁。图4和图5显示了磁铁尺寸。
图4:磁体R1尺寸
图5：磁铁R2尺寸
| 磁铁名称 | 制造商 | 内径 | 外径 | 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 |
平均磁场与气隙相关性
系统设计的第一步是为应用气隙选择合适的磁体。通常气隙在2 - 4毫米范围内。图5显示了磁体R1和R2的磁场与气隙的关系。
默认情况下，许多Allegro角度传感器IC经过修整，以在300克（30公吨）时提供最佳性能。对于A1332，还可根据要求提供磁性自动缩放功能，动态调整内部增益以补偿气隙中的动态变化。但是，应注意磁性设计，以便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）。通常，约300 G的场强是理想的。
图6：磁场矢量（水平分量）大小与气隙
根据A1332测量，对于磁铁R1和R2
磁铁误差分析
如图7和图8所示，使用磁铁R1，在理想对准条件下使用校准A1332测量角度时，对磁信号中观察到的固有非线性进行分析。
图7:带有R2磁铁的侧轴排列
图8:离轴排列，磁体R2，侧视图
基于在等距角点对角度传感器IC输出进行一次旋转采样，我们得到了如图9所示的传输特性。
图9:目标磁体R1的角度输出
通过FFT在频域分析上述角度误差，我们得到了误差与谐波的关系，如图10所示。
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：使用磁铁R2的角度误差光谱分析
从FFT数据可以清楚地看出，磁铁R1和R2中的大部分固有误差来自2nd1圣4th， 3研发部，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，如图12所示。
图12：径向（B）r)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。
这些不匹配会导致角度误差分布在多个谐波处。因此，很明显，仅针对2nd谐波误差项是不够的，特别是在需要高精度性能时。
图13：磁铁R1，径向和切向磁场分量
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，允许调整装置的传输特性，以便将施加磁场的变化作为相应的线性增量输出。
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
- 收集数据
如果需要，关闭除分段线性化（SL）、角度补偿（AC）和IIR滤波（FI）之外的所有算法处理（CFG_2中的FI和AC位、字6、EEPROM位12+13、SRAM位16+17、SL位）。打开分段线性化旁路位（SB位、字6、EEPROM位21、SRAM位25）.该功能可用于获取分段线性化所需的测量值，而无需将线性化表预先编程为直线。
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。 - 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。 - 启用线性化
设置EEPROM位SB=0，因为不再需要绕过线性化功能-步骤1中的数据采集已完成。设置EEPROM位SL=1（注意：应已从步骤1设置为1）启用分段线性化。角度传感器IC输出现在应沿每个分段线性插值，并产生校正的角度输出。
后果
图16以角度误差的形式说明了分段线性化性能，与已知良好的编码器角度基准相比。
图16：使用R1、分段前和分段后线性化的角度误差
虽然如图16所示的很精确，但图16并不能很好地描述真实的角度误差性能: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。如果一个人再次测量相同的设备与更小的角度步长之间的样品，一个人会看到如图17所示的结果。注意连续线性化点之间的误差“瓣”。这些是预期的，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。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A1332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。
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：使用R1的角度输出，前后谐波线性化
谐波线性化功能具有很大的灵活性。每15次谐波的单个谐波振幅和相位值存储在12位EEPROM字段中。
在线性化中需要应用的谐波数可以通过使用4位HAR_MAX EEPROM字段指定。此设置确定计算谐波线性化使用多少个谐波分量(从1到15)(Adv字段用于确定每个分量应用哪些谐波)。
2位字段“Adv”字段设置连续对应用谐波分量之间的增量。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和声。效果是累积的：当所有组件都设置为n= 3, 60th谐波在第十五个分量（0x1A）处可用。例如，我们在侧轴配置中使用磁铁R1，以便将A1332线性化。
除了实现侧轴应用外，这种线性化方法的灵活性在消除客户生产线末端的静态不亚博尊贵会员对中误差方面也非常有用。
谐波线性化的实现步骤
- 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)。
沿增加角度位置的方向移动编码器。如果角度传感器IC没有增加，则将LR位设置为反转角度传感器IC的方向，或反向旋转编码器进行校准，在这种情况下，后线性化旋转位（RO）可能需要设置。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。 - 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。 - 启用线性化
设置EEPROM位HL=1以启用谐波线性化。传感器输出现在应产生校正的角度输出。
后果
图19显示了磁铁R1的谐波线性化性能，HARMAX=1到15（所有ADV场=0）。换句话说，这显示了谐波校正从1递增应用时的性能圣直到15岁th谐波。
图19：谐波后线性化角度误差，HARMAX=（1至15），使用R1
图20总结了相同的结果，以显示pk角误差（在y轴上）与应用的校正谐波数量之间的关系nd由于光谱误差的大部分都存在于2nd谐波（参见“分析磁误差”一节）。
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：使用R1的角度误差、更精细的采样分辨率和谐波线性化
分段和谐波线性化技术都非常适合轴上和轴外磁应用。分段线性化将磁场范围划分为更小的部分，以分段方式进行线性化，谐波线性化允许对误差信号进行正弦补偿，这有助于消除未对准和侧轴布置中的高次谐波误差。谐波线性化带来亚博尊贵会员的附加性能以更高的计算时间为代价。
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:添加的角度延迟与使用的谐波数
XYZ失调对线性化角度传感器IC的影响
在本节中，我们分析了角度传感器IC的性能，该IC已针对磁铁R1和R2进行线性化，然后针对X、Y和Z轴上的未对准误差进行映射，如图23所示。在磁体R1和R2的情况下，我们使用X（气隙）的初始起始位置分别为2.75毫米和4毫米，Y，Z＝0毫米，使得角度传感器IC定位在磁体高度的中间。我们使用该位置作为笛卡尔原点，并根据表2从该参考映射未对准性能。
| 磁铁R1轴 | 最小值（毫米） | 线性化点(毫米) | 最大值（毫米） |
|---|---|---|---|
| X（气隙） | 2 | 2.75 | 4．5 |
| Y(横向) | -2.0 | 0．0 | 2 |
| Z（垂直） | -2.0 | 0．0 | 3.0 |
| 磁铁R2轴 | 最小值（毫米） | 线性化点(毫米) | 最大值（毫米） |
| X（气隙） | 4．0 | 4．0 | 8．0 |
| Y(横向) | -2.0 | 0．0 | 2 |
| Z（垂直） | -2.0 | 0．0 | 3.0 |
图23:X, Y, Z映射轴的定义
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中的曲线图，可以进行一些观察。从线性化点（用红色圆圈表示）的角度误差值可以看出，角度传感器IC能够为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，在研究图24中误差曲线与气隙的形状时，很明显，与磁铁R2（蓝色轨迹）相比，当角度传感器IC偏离线性化点（红色圆圈）时，磁铁R1（黑色轨迹）的误差上升幅度更大。
例如，将角度传感器IC和磁铁R1之间的气隙增加1 mm会导致与将相同角度传感器IC和磁铁R2之间的气隙增加4 mm大致相同的性能退化。磁铁R2的更好气隙性能可归因于其是更厚的环形磁铁（5 mm厚）与R1（3 mm厚）相比。
同样，通过比较磁体R1和R2的两个填充等高线图，我们可以分析其在横向和纵向(Y和Z)轴上的不对中性能，分别如图25和26所示。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)位置代表线性化点的性能(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°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：磁铁R1，气隙=2.75 mm时的不对中性能（垂直轴和横向轴）
图26：磁铁R2，气隙=4 mm时的未对准性能（垂直轴和横向轴）
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 mm2.R1为1.10 mm2.R2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
在A1332角度传感器集成电路中实现了片上、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成本的情况下满足上述精度目标。
虽然分段线性化实现了更快的处理时间，但其校正正弦误差项的能力有限。在这方面，谐波线性化性能更好。此外，谐波线性化方法的灵活性，特别是改变所用校正谐波数量的能力，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，当应用线性化时，可以将±20°的角度误差控制在±0.3°范围内。
最后，利用映射技术，研究了线性化角度传感器IC的机械失调效应。结果表明，环形磁铁越高，对垂直失调的耐受性越好，而环形磁铁越厚，对气隙变化的耐受性越好。
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时代欧洲, 2015年6月。