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
由Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC
介绍
在行业从工业自动化亚博尊贵会员和机器人到电子动力转向和电机位置感应众多应用需要监控旋转轴的角度，在轴或离轴布置任一英寸
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。
这些变量又与磁铁几何形状，磁体布置（轴上或轴外），磁性材料和机械公差等系统级设计选择相关。因此，角度传感器IC需要灵活性，以便在这些潜在的误差源周围工作，而不会增加系统级设计的复杂性和成本。即使是最好的磁角度传感器IC也只是它感测的磁场。
一种磁角度测量系统具有误差的两个主要来源：
- 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。
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: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。
高级线性化
本文档描述了一个角度传感器IC（AllegroA1332）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。
- 谐波线性化的，其相位和幅度是通过FFT（快速傅立叶变换）来自周围传感器IC的角磁铁的一次旋转中收集的数据执行来确定校正15次谐波的形式应用于线性化。
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。接触您当地的Allegro代表获取最新的DLL文件，软件图形用户界面和编程硬件。
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
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。
为了说明这一点差别，图2示出了两个晶体气隙（4.0毫米），包气隙（2.386毫米）用于A1332角度传感器IC和磁铁在侧轴或离轴配置。
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：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：
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。
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。所用的磁铁是钕N45离子环环磁体，可从超磁体获得。图4和图5示出了磁体尺寸。
图4：磁铁R1尺寸
图5：磁铁R2尺寸
| 磁铁的名字 | 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，修剪许多Allegro角度传感器IC以提供300g（30 mt）的最佳性能。在A1332的情况下，还有一个可根据要求提供的磁性自动缩放功能，可动态调整内部增益以补偿空气间隙的动态变化。然而，应注意磁性设计，使得气隙变化不会导致太低（信噪比不足）或太高的字段（信号链块的饱和度）。通常，大约300g的场强是理想的。
图6：磁场矢量（水平分量）幅度与气隙
通过A1332测量，对于磁铁R1和R2
磁铁误差分析
使用磁体R1，在理想对准下测量校准A1332的角度，执行在磁信号中观察到的固有非线性的分析，如图7和图8所示。
图7：侧轴装置与磁铁R2
图8:离轴排列，磁体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：具有目标磁铁R1的角度输出
使用FFT分析频域中的上述角度误差，我们得到误差与谐波，如图10所示。
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：使用磁体R2的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谐波的贡献，而1圣，4th，3理查德·道金斯和高次谐波负责对错误的剩余部分。此错误的根本原因是在径向的幅度失配（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Bt，如图12所示。
图12:径向(Br）和切向（bt）字段的组件
理想情况下，这些组分应在振幅相同的，并且在相正交的。从这个理想的任何偏差引入在所得角度测量误差。在用于侧轴感测环的磁铁，在径向和切向分量的失配是固有的磁体设计和制造过程，并且可以根据制造商和制造方法而改变。在圆柱形磁体的情况下，径向和切向的失配可通过添加传感器IC和磁铁的角度之间的偏心或偏移被引入。
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谐波误差项是不够的，尤其是当需要高精度的性能。
图13：磁体R1，径向和切向场部件
图14:磁铁R2，径向和切向磁场分量
分段线性化
A1332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：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。
为了实现这一目标，一组初始线性系数必须创建。用户采取角的15个样品：在从0到360度的全部转动范围的每1/16的时间间隔。0参考点由LIN_OFFSET EEPROM字段设置。这成为零误差点，并且因此没有在系数表中表示。同样地，360度点是相同的0-参考点，并且也没有在系数表中表示。在段边界的测量的角度的其余部分被放置在LIN_COEFF1 ... LIN_COEFF15 EEPROM字段。以下说明描述了将这些线性系数的基本算法。这种方法的示例实现可作为快板客户评估软件工具。
步骤实施分段线性化
- 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上移动编码器。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。
在移动的编码器22.5°步骤和读15个角度集。这个过程中会产生15个LIN_COEFF系数。 - 程序系数
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，因为不再需要绕过步骤1中的线性化功能 - 已经完成。设置EEPROM位SL = 1（注意：它应该已从步骤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。
图16:使用R1的角度误差，前和后分段线性化
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，预先和后谐波线性化
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。
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（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圣谐波，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
- 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上移动编码器。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的方向或沿相反的校准方向旋转编码器，在这种情况下，线性化旋转位（RO）可能需要要设置。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。 - 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。 - 启用线性化
设置EEPROM位HL=1以启用谐波线性化。传感器输出现在应该产生一个校正的角度输出。
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逐渐应用圣最多15岁th谐波。
图19：使用R1的谐波=（1到15）后谐波线性化角度误差
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由于在2大部分光谱误差内容驻留的谐波校正预计n谐波（参见分析磁误差的剖面）。
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: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描述了额外的等待时间的角度测量针对每个谐波加到谐波线性化。例如，基于图20中的数据，以实现<1°，需要校正的至少7次谐波，加入的35个微秒的处理时间的延迟。这意味着，每一个角度样品将额外需要35微秒到过程。与此相反，分段线性化需要22微秒的额外计算时间。因此，对于此特定磁体，谐波线性的改进的错误性能正值延迟的附加13μs的成本。
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。
| 磁铁R1轴 | Min(毫米) | 线性化点（mm） | Max(毫米) |
|---|---|---|---|
| x（空气间隙） | 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（空气间隙） | 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：x，y和z映射轴的定义
图24：角误差VS气隙为两个磁铁R1和R2
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)。
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:磁体R1，在气隙= 2.75 mm处的错位性能(垂直轴和横向轴
图26：气隙下的磁体R2，未对准性能（垂直和横向轴）= 4毫米
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对于磁体R1，而它是1.10毫米2R2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，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更好的耐受性耐受性，而较厚的环形磁铁转化为更好的耐受空气间隙变化。
所面临的系统级设计，适当的磁性设计和先进的片上线性化相结合，在快板A1332发现无论什么角度传感挑战，可以帮助实现所需的性能，同时最大限度地减少增加了复杂性和成本。
最初发表在欧洲时代, 2015年6月。