A1335角度传感器IC中的先进的片上线性化

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作者: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. 场强变化;
2. 现场非线性。

使用均匀磁场在Allegro的生产过程中测试和校准每个Allegro角度传感器IC。结果，在将角度传感器IC运送给客户之前，本征IC非线性和温度漂移减小到最小值。有关温度漂移信息，请参阅产品数据表。

当在设计中使用磁体时，磁输入很可能在整个旋转范围内不均匀——它将有固有误差。这些磁输入误差导致了系统的测量误差。

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
在生产线上客户模块的装配过程中，设计会出现相对较大的偏差。这些磁误差源是不可避免的，减轻它们几乎总是昂贵的，往往是不可能的。

方法Allegro A1335角度传感器IC是通过使用先进的线性化技术来解决这个问题，在客户的生产线末端制造位置补偿这些误差。

本文档显示了如何通过A1335线切化的磁性输入相关的误差可以通过A1335线切化至低至±0.3度 - 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。Allegro可以提供必要的软件和/或DLL，以帮助客户在他们的末尾编程这些设备。

线性化选项

在A1335角度传感器IC中提供了两种线性化技术分段线性化，第二个叫谐波线性化．

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the angle sensor IC.

另一方面，谐波线性化以11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）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。联系您当地的Allegro代表，获取最新的DLL，软件GUI和编程硬件。

定义

气隙

当讨论磁场传感器时，可以使用两种不同的气隙定义:包气隙和水晶气隙．

包装气隙

封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短边之间的距离为1.593 mm。

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）。

精度误差

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。

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A1335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偶极环磁铁从超级磁铁。图4和图5说明了磁铁的尺寸。

表1:关轴(左)和开轴(右)

磁铁的名字	制造商	内心的 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，气隙的范围为2至4mm。图5示出了作为磁体R1和R2的气隙的函数的磁场。

默认情况下，许多Allegro角度传感器ic按照数据表规格裁剪为300 G (30 mT)。在A1335的情况下，还有一个磁自动缩放功能，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，300g到1000g的场强是理想的，较高场强的噪声性能更好。

磁铁误差分析

利用magnet R1和R2，分析了测量角度时磁信号中观察到的固有非线性。测量使用校准的A1332, A1335的前身，在理想的对准下，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。

通过FFT分析频域中的上述角度误差，获得如下图10中所示的误差与谐波。

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2^nd谐波贡献，而1^圣，4^th，3^{理查德·道金斯}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）和切向（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，这些组件应在幅度和正交相同。与该理想度的任何偏差引入了所得角度测量中的误差。在用于侧轴传感的环形磁体中，径向和切向部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。

这些不匹配导致在多个谐波项的角度误差轮廓。因此，很明显，只有纠正2^nd谐波误差项是不够的，特别是在需要高精度性能时。

分段线性化

A1335分段线性化是一种可编程功能，允许调整设备的传输特性，使应用磁场的变化可以输出为相应的线性增量。

图15，上面说明的角度输出的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。零参考点由LIN_OFFSET EEPROM字段设置。这成为零误差点，因此不表示
在系数表中。同样，360度点与零参考点相同，并且在系数表中也不表示。段边界处的其余测量角度放置在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。本方法的示例实现可通过Allegro客户评估软件工具获得。图15显示了角度
输出相对于编码器参考，两者都有和没有分段线性化应用。图16显示了角度误差减去参考编码器值，既有分段线性化应用，也有不应用。图17显示了应用分段线性化的角度误差轮廓的放大图。

实现分段线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关闭所有后线性化算法处理;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，意识到线性插值的段是从该参考点的+22.5，+ 45.0等。对于侧轴，挑选误差在峰值或谷的位置是最佳的。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
   
   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。

虽然准确如图所示，但图16不是对真实角度误差性能的非常有洞察力的描述。它只显示了后光误差最少的传递函数中的点处的角度误差。如果再次测量相同的设备，则在样本之间具有更小的角度阶跃，结果将是图17中所示的结果。注意连续线性化点之间的“裂片”的误差。预期这些是因为在每个段中，误差近似为直线，当时它是正弦的。鉴于这种类型的正弦输入误差模式，图17是通过使用16个段的分段方法实现的最佳性能。

分段线性化实现在A1335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。
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

从这一节中可以看出，通过分析磁体R1和R2的误差，可以清楚地看到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属性并应用线性化形式的11次谐波的相位和振幅的决心通过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。

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。

用户可以使用4位har_max EEPROM字段指定需要在线性中应用的谐波数。该设置确定用于计算谐波线性化的单个谐波分量（1至11）。（adv字段用于确定每个组件应用哪个谐波。）

2比特字段'ADV'字段设置顺序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）表示要从上一个组件跳过到当前组件的谐波。计数施加为1 + n。例如，第一个组件（0x0c）最小（n = 0）是1^圣谐波和最大（n = 3）是4^th谐波。这种影响是累积的;当所有组件设置为n = 3时，44^th谐波在第十五分量(0x16)可用。例如，磁体R1用于侧轴配置，以线性化传感器。

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
   
   关闭所有后线性化算法处理;这包括零偏移、后线性化旋转(RO)、短行程反转(IV)和旋转模位(RD)。预线性化调整可以保持开启状态，如ORATE设置、IIR滤波器(FI)和预线性化旋转(LR)。
   
   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，或者在相反的方向上旋转编码器（在这种情况下，线性化旋转位（RO）可能需要设置）。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，使合成数据为2的幂。通常，32或64个等间距的数据点就足够了。
   
   
2. 程序系数
   
   在测量数据上执行FFT，然后在PromconeL_amplitude，Harmonic_Phase，ADV和HAR_MAX字段上执行FFT。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。传感器输出现在应该产生一个校正的角度输出。

结果

图19显示了在A1332上测量的磁体R1的谐波线性化性能，用肛交= 1到11（和所有ADV字段= 0）。（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^圣到11^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预期谐波校正以来，由于频谱误差内容的大部分驻留在2^nd谐波（参见分析磁误差的剖面）。

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，同一设备被重新测量几次，每个运行具有更精细的角度步长（更高分辨率）。数据显示没有底层更高的错误区域。后线性化误差是Sub-0.3度。

角度考虑延迟

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11次谐波的线性化。此外，许多系统将利用A1335的ORATE特性来降低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。

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，该传感器对磁体R1和R2进行了线性化，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。以下数据是使用Allegro A1332角度传感器采集的;A1335的性能将类似或更好。

表2:磁体R1和R2的映射范围和线性化点

磁体R1和R2的角度误差性能与气隙(X轴)的关系如图24所示。

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看出，由于角度传感器IC偏离线性化点(红色圈)，R1(黑色线迹)的误差上升幅度比R2(蓝色线迹)更大。

作为示例，将角度传感器IC和磁体R1之间的气隙增加1mm，导致与增加相同角度传感器IC和磁体R2之间的气隙达到相同的性能下降4mm。磁体R2的更好的气隙性能可以归因于与R1（3mm厚）相比它是较厚的环形磁铁（5mm厚）。

同样，通过比较磁体R1和R2的两个填充等高线图(分别如图25和图26所示)，可以在水平轴和垂直轴(Y和Z)上分析其不对中性能。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)位置表示线性化点的性能(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度以下的区域。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 mm²R1为1.10 mm²对于磁铁R2。另外，与R1相比，显然，对于R2的情况，白色区域是垂直的“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

一个成功的角度传感应用涉及许多因素。最大限度地减小超温角度误差、位置偏差和气隙是关键。这些变量与系统级设计选择有关，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，在不增加系统级设计的复杂性和成本的情况下，角度传感器集成电路需要灵活地处理这些潜在的误差源。即使是最好的磁角传感器IC，也只能和感应的磁场一样好。

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，使系统设计师能够在不增加额外复杂性和系统设计成本的情况下满足上述精度目标。

A1335提供了两个线性化选项-分段和谐波。使用参考磁体R1和R2对这两种选择进行了研究。结果表明，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。对R1和R2磁体进行线性化后，可以将±20度的角度误差控制在±0.3度以内。

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的角度感知挑战是什么，适当的磁性设计和先进的片上线性化Allegro A1335可以帮助实现预期的性能，同时最大限度地减少增加的复杂性和成本。