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A1332角度传感器IC中的先进的片上线性化

A1332角度传感器IC中的先进的片上线性化

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

介绍

在工业自动化和机器亚博尊贵会员人到电子动力转向和电动机位置感测的许多应用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。

磁角度测量系统有两个主要的错误来源：

  • 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。

在设计中使用磁铁时，磁输入可能在整个旋转范围内都不会均匀：它会具有固有的错误。这些磁输入误差会导致系统中的测量误差，并在考虑具有更高的内在磁误差的侧轴或轴外设计时变得尤为重要 - 参见图1。

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。

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。

高级线性化

本文档介绍角度传感器IC (Allegro)A1332）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。特别是，它表明磁性输入相关误差超过±20°的线性可以线性化至低至±0.3°：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。

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.
  • 谐波线性化以15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）来确定。

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。接触你们当地的Allegro代表获取最新的DLL，软件GUI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

包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A1332角度传感器IC和侧轴或轴外构造的晶体空气间隙（4.0mm）和封装气隙（2.386mm）。

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）。

图3.

图3：角度误差定义

准确性错误

在本文档中进一步下降，将角度误差显示为未对准的函数。为此目的，有必要为完全旋转引入单个角度误差定义。一个完全旋转的“总结”角度误差定义为角度精度误差，并且根据以下公式计算：

准确性错误

换句话说，它是从0°和360°之间的完美直线的偏差的幅度。

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A1332角度传感器IC中的高级功能如何用于补偿磁输入相关的错误。

至于角度传感器IC相关误差，在运送到客户之前，为Allegro的线路测试操作中的每个Allegro角度传感器IC进行了针对每个Allegro角度传感器IC进行了优化的内在非线性和参数温度漂移。通过使用片上过滤可以针对客户应用进行优化噪声性能（请参阅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：离轴（左）和轴上（右）
磁铁名称 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)大小与气隙
通过A1332测量，对于磁铁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：带磁铁R2的侧轴布置

图8.

图8：轴外排列，带磁铁R2，侧视图

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

图9.

图9：具有目标磁铁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：使用磁体R1的角度误差的光谱分析

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英石，4TH.，3研发部，更高的谐波对剩余错误负责。该误差的根本原因是径向幅度的不匹配（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B.T.，如图12所示。

图12.

图12：径向（B）R.）和切向（bT.）该领域的组件

理想情况下，这些组件应在幅度和正交中相同。与该理想度的任何偏差引入了所得角度测量中的误差。在用于侧轴感测的环形磁铁中，径向和切向组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。

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。

为了实现这一点，必须创建一组初始的线性化系数。用户需要15个角度样本：在完全旋转范围的每个1/16间隔，从0到360度。0-参考点由Lin_Offset EEPROM字段设置。这成为零错误点，因此在系数表中没有表示。同样地，360度点与0参考点相同，并且也没有在系数表中表示。段边界处的其余测量角度被放置在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。此方法的示例实现可用作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，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，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。

    以22.5°的编码器步骤移动，读取15个角度集。此过程将产生15 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. 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示出了与已知良好的编码器角度参考相比的角度误差形式的分段线性化性能。

图16

图16：使用R1、分段前和分段后线性化的角度误差

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

如观察到从磁铁R1和R2的误差分析，很清楚，误差是正弦的，这意味着它们通常可以通过适当相和幅度的组成谐波进行良好描述的。谐波线性化利用该属性，并以15次谐波的形式应用，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数据（快速傅里叶变换）确定TH.e customer’s end-of-line.

图18

图18：使用R1的角度输出，预先和后谐波线性化

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。

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.（在0到3的范围内），表示从先前的组件跳过了多少次次组件。计数适用为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。效果是累积的：当所有组件设置为时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亚博尊贵会员非常有用。

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，如果期望（CFG_2中的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. 程序系数

    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. 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。

结果

图19显示了Magnet R1的谐波线性化性能，Hymax = 1到15（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

相同的结果总结在图20中，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（参见分析磁误差的剖面）。

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描述了向谐波线性化添加的每个谐波的角度测量的附加延迟。例如，基于图20中的数据，为了实现<1°，需要至少7个校正谐波，从而增加35μs的处理时间延迟。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，对于该特定磁体，谐波线性化的改善误差性能以额外的13μs等待时间的成本为代价。

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​​味着存在足够的时间来执行15个线性化谐波。此外，许多系统将利用A1332的Orate特征，以便通过过度采样减少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。

图22

图22：添加的角度延迟与使用的谐波数量

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。

表2：磁铁R1和R2的映射范围和线性化点
磁铁R1轴 最小值（毫米） 线性化点（mm） 最大值（毫米）
X(气隙) 2．0 2.75 4.5
Y（侧面） -2.0 0.0 2．0
Z（垂直） -2.0 0.0 3.0
磁铁R2轴 最小值（毫米） 线性化点（mm） 最大值（毫米）
X(气隙) 4.0 4.0 8.0
Y（侧面） -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：磁铁R1和R2的角度误差与空气间隙

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。

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 mm2.对于磁铁R1，虽然它为1.10毫米2.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。

虽然分段线性化达到更快的处理时间，但它有限于其纠正正弦误差术语。在这方面，谐波线性化表现更好。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错误性能之间实现最佳权衡。结果是当施加线性化时，可以在±0.3°内达到±20°。

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传感挑战，在Allegro A1332中发现适当的磁性设计和先进的片上线性化的组合，都可以帮助实现所需的性能，同时最小化增加复杂性和成本。

最初发表在EE次欧洲，2015年6月。