A1335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

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求。亚博尊贵会员这些包括：布置（轴轴或轴上），气隙，精度和温度范围等。

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。

磁输入相关错误：

1. 磁场强度变化;
2. 现场非线性。

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IC发货给客户之前，内在的IC非线性和温度漂移降低到最小。温度漂移信息请参见产品数据表。

当在设计中使用磁铁时，磁性输入很可能在整个旋转范围内不是均匀的——它会有固有的误差。这些磁输入误差导致系统测量误差。

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。

的方法Allegro A1335角度传感器IC解决这一问题的方法是使用先进的线性化技术来补偿这些误差，在客户的生产线末端制造位置。

本文档展示了A1335如何将超过±20度的磁输入相关误差线性化至±0.3度——大约提高了65倍。

这种线性化可以基于目标磁体围绕角度传感器IC的一次旋转的数据进行，从这个旋转得到的角度读数用于产生线性化系数，然后存储到片上EEPROM中，为该磁性系统优化角度传感器IC。Allegro可以提供必要的软件和/或dll来帮助客户在他们的终端对这些设备进行编程。

线性化选项

A1335角度传感器IC中提供了两种线性化技术。第一个被称为分段线性化，第二个被称为谐波线性化。

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.

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程序片上EEPROM。联系您当地的Allegro代表以获得最新的dll、软件gui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:包装气隙和水晶气隙。

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

晶体气隙定义为传感器壳体中的传感元件与磁铁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和侧轴或轴外构造的晶体空气间隙（4.0mm）和封装气隙（2.407mm）。

在本文件中，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）。

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：

换句话说，它是从0到360度之间的完美直线的偏差的幅度。

区分角度传感器集成电路相关误差和磁输入相关误差是很重要的。本文档强调了如何使用A1335角度传感器IC的先进功能来补偿磁输入相关的误差。

至于角度传感器IC相关误差，在Allegro的线路测试操作（参见这些参数的数据表规范）之前，为每个Allegro角度传感器IC进行了优化了固有的非线性和参数温度漂移。可以优化噪声性能
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：轴（左）和轴上（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 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。通常气隙的范围在2 ~ 4mm之间。图5显示了磁体R1和R2的磁场与气隙的关系。

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

使用磁体R1和R2，在测量角度时，执行在磁信号中观察到的固有非线性的分析。在理想的对准下，使用校准的A1332，前任对A1335进行测量，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。

利用FFT在频域对上述角度误差进行分析，得到的误差随次谐波变化情况如图10所示。

图11显示了对磁体R2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于2^nd调和贡献，而1^英石4^TH.3^rd.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（B_R.答案: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，这些分量在振幅上应该相同，并且在相位上正交。任何偏离这一理想的情况都会在合成角测量中引入误差。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，根据制造商和制造方法的不同可能会有所不同。在圆柱形磁铁的情况下，径向和切向的不匹配可以通过增加偏心或不对准之间的角度传感器IC和磁铁。

这些不匹配的结果是在多个谐波项的角度误差轮廓。因此，很明显，只有修正为2^nd谐波误差项是不够的，特别是如果要求高精度性能。

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。

上面的图15显示了A1332在分段线性化和不分段线性化时的角度输出。

为了实现这一点，必须创建初始的线性化系数。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。零参考点由Lin_offset EEPROM字段设置。这成为零错误点，因此不是表示的
在系数表中。同样，360度点与零参考点相同，也不在系数表中表示。在线段边界处的其余测量角度被放置在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以通过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，两者都有和不应用分段线性化。图16显示了通过应用和没有应用分段线性化的引用编码器值来减去参考编码器值的角度误差。图17显示了具有应用分段线性化的角度误差配置文件的放大视图。

分段线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关闭所有线性化算法处理;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）。可以留下预析化调整，例如或替换设置，IIR过滤器（FI）和预析化旋转（LR）。
   
   通过将SL设置为1（CFG_2中的SL位，字6，EEPROM位16，SRAM位20）来启用分段线性化。打开分段线性化旁通位（SB位，Word 6，EEPROM位21，SRAM位25）。这允许在不施加线性化系数的情况下进行测量。
   
   找到所需的零参考点，实现从这个参考点开始的线性插值段为+22.5，+45.0等。对于侧轴，选择一个误差在峰值或谷点是最佳的。在下一步中，角度传感器IC在该点的读数将被输入到LIN_OFFSET系数中。
   
   向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，或者在相反的方向上旋转该校准步骤的编码器。（在这种情况下，在校准完成后可能需要设置线性化旋转位（RO）。有关更多详细信息，请参阅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
   
   *(4096/360)乘以后的程序LIN_OFFSET，在重新缩放后写入HEX。
   
   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中的数据收集已经完成）。设置EEPROM位SL = 1（注意：它应该已经从步骤1中设置为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段线性地插入并产生校正的角度输出。

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。

虽然如图所示是准确的，图16并不是真实角度误差性能的一个非常深刻的描述。它只显示了传递函数中后线性化误差最小的点处的角度误差。如果同样的设备再次测量，样品之间的角度步长要小得多，结果将如图17所示。注意连续线性化点之间的误差“波瓣”。这是意料之中的，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错误模式，图17是使用16段分段方法所能获得的最佳性能。

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

如本节中所见，分析磁铁R1和R2的误差，显然这些误差本质上是正弦的，这意味着它们通常可以通过适当的相位和幅度的组成谐波进行很好的描述。谐波线性化利用该属性，并以11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的数据周围的数据上执行的数据而确定的FFT（快速傅里叶变换）确定TH.e customer’s end-of-line.

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。

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。这个设置决定了有多少单独的谐波分量(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的谐波。)

2位场“Adv”场设置应用谐波分量的序列对之间的增量。输入的n(取值范围0 ~ 3)表示从前一个组件跳过到当前组件的次谐波数。计数应用为1 + n。例如，第一个组件(0x0C)最小值(n = 0)是1^英石谐波和最大（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。

除了支持侧轴应用外，这种线性化方法的灵活性在消除客户的静态不对准误差方亚博尊贵会员面也非常有用。

实现谐波线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关闭所有线性化算法处理;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没有增加，那么设置LR位来反转角度传感器IC的方向，或者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
   
   对测量数据进行FFT，然后根据首选实现程序HARMONIC_AMPLITUDE, HARMONIC_PHASE, ADV和HAR_MAX字段。这些特性的示例实现可以从您的Allegro代表那里获得。
   
   
3. 启用线性化
   
   设置EEPROM位HL=1，实现谐波线性化。传感器输出现在应该产生一个校正后的角度输出。

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(以及所有ADV场= 0)。(并且所有ADV字段= 0)。换句话说，这显示了从1开始逐步应用谐波校正的性能^英石到11级^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^nd谐波校正是预期的，因为大部分的光谱误差内容存在于2^nd谐波（参见分析磁误差的剖面）。

为了进一步研究谐波线性化后的误差性能，特别是在使用小角度步长时，对同一装置进行了多次重新测量，每次测量的角度步长都更小(分辨率更高)。数据显示没有潜在的更高的误差区域。后线性化误差在0.3度以下。

角度延迟考虑因素

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
谐波线性化的代价是额外的13 μs延迟。对于许多应用程序来亚博尊贵会员说，额外的延迟不会成为问题。例如，在典型的电子助力转向(EPS)系统手轮角度传感器芯片中，每1ms就需要一个新的角度值，这意味着有足够的时间进行11次线性化。此外，许多系统将利用A1335的ORATE特性，以减少过采样角度测量的噪声底。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。

XYZ未对流对线性化角度传感器IC的影响

在本节中，我们分析了针对磁体R1和R2线性化的角度传感器IC的性能，然后映射X，Y和Z轴中的错位误差，如图23所示。在两个磁体的情况下R1和R2，我们在X（气隙）= 2.75mm和4mm处使用X（气隙）= 2.75mm和4mm，使得角度传感器IC位于磁体高度的中间。我们使用此职位作为我们的笛卡尔源，并根据表2从此引用映射未对准性能。使用Allegro A1332角度传感器收集以下数据;A1335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的角度误差性能作为气隙(X轴)的函数如图24所示。

通过研究图24中的曲线可以进行一些观察。从线性化点（由红色圆圈表示的角度误差的值，显然角度传感器IC能够实现非常相似的线性化两个磁铁的性能。从该有限的角度来看，两个磁体都可用于实现相同的性能。然而，在研究误差曲线的形状与图24中的空气间隙相比，显然磁体R1（黑色迹线）误差较陡峭的误差，因为角度传感器IC远离线性化点（红色圆圈）未对准，与磁铁R2（蓝迹线）相比。

例如，增大角度传感器IC与磁铁R1之间的气隙1 mm，其性能退化程度与相同角度传感器IC与磁铁R2之间的气隙4 mm大致相同。磁铁R2的气隙性能较好，可以归因于它是一个更厚的环形磁铁(5毫米厚)比R1(3毫米厚)。

以类似的方式，通过比较图25和图26中所示的磁体R1和R2的两个填充的轮廓图，可以在横向和垂直（y和z）轴上分析未对准性能。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。对于这两个曲线，原点（y = 0，z = 0）位置表示线性化点处的性能（与图24中的红色点相同）。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，每个曲线的中间的白色区域表示角度误差性能保持低于±1度的区域。类似地，每个曲线中的棕色区域表示角度误差大于±7度的区域。

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组合结果增加了较低的角度误差。作为示例，角度误差小于±1度的白色区域为0.669 mm²对于磁铁R1，而它为1.10毫米²R2的磁铁。此外，与R1相比，R2的白色区域明显是垂直“拉长”的。考虑到环形磁铁R2 (5mm)的垂直高度大于环形磁铁R1 (3mm)，这是有意义的。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

成功的角度感测应用程序涉及许多因素。最小化角度误差超过温度，位置未对准和气隙，是关键。这些变量与磁铁几何形状，磁铁布置（轴上或轴外），磁性材料和机械公差等系统级设计选择有关。因此，角度传感器IC需要灵活性，以解决这些潜在的误差源而不增加系统级设计的复杂性和成本。即使是最佳磁角度传感器IC也只是感测的磁场。

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允许系统设计者满足上述准确性目标，而无需增加系统设计的额外复杂性和成本。

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，利用映射技术，研究了线性化角度传感器集成电路的机械不对准效应。可以看出，较高的环形磁铁对垂直偏差的容忍度更好，而较厚的环形磁铁对气隙变化的容忍度更好。

无论系统级设计师所面临的角度传感挑战是什么，适当的磁设计和先进的芯片上线性化的Allegro A1335可以帮助实现理想的性能，同时最小化增加的复杂性和成本。