两个线性传感器集成电路的30mm位移霍尔效应系统分析
两个线性传感器集成电路的30mm位移霍尔效应系统分析
作者：Andrea Foletto、Andreas Friedrich和Sanchit Gupta
亚博棋牌游戏Allegro微系统有限责任公司
经典的霍尔传感系统在磁铁前面使用单个传感器，但磁场的线性测量仅限于短位移路径，除非使用大尺寸磁铁。某些应用无法容纳系统中的大磁铁。为了在大位移范围内获得良好的线性响应，需要确定此类系统的解决方案。在这个应用说明中，我们正在研究如何通过使用两个传感器IC，使用典型的Allegro来扩展线性检测的位移范围™ 以微系统设备为例。亚博尊贵会员
图1。提议的两个系统亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems A1363传感器集成电路直径10毫米的圆柱形磁铁
介绍
提出的系统由两个线性霍尔传感器集成电路组成，两个线性霍尔传感器集成电路之间的距离固定，并与磁铁的平移路径平行（图1）。两个传感器IC的霍尔元件之间的间距P取决于磁铁长度L，与气隙AG无关。此过程称为按操作滑动。
图2.Slide-by operation; example of classic configuration using a single sensor IC and a cylindrical magnet
测量基于磁铁沿其极化（南北）轴的位移D，该轴平行于两个ic形成的平面。这使集成电路暴露在磁铁的两极。图2显示了一个典型的磁映射从一个单一的传感器集成电路滑动操作与圆柱形磁铁。建议的系统有一个10毫米长的圆柱形磁铁，允许通过大约30毫米（±15毫米）的位移进行线性测量。单个传感器的磁图如图3所示。
图3。单个传感器IC检测长度为10 mm、直径为10 mm的圆柱形磁铁结果的磁图（按配置滑动，如图1所示）
从图3中的映射分析可以看出，线性响应区域仅在磁铁中心附近，因此解释了为什么只能用单个传感器测量短路径。通过更详细地观察映射，可以观察到，在较大的气隙范围内，磁剖面非常类似于正弦信号。如果将两个传感器ic的磁映射结果视为正弦曲线，则当两个信号彼此处于90度相位差时，可以获得净最大线性范围。
两个具有90度相位差的正弦信号可以用arctan2函数进行处理，以获得最大的线性度。表达式如下：
其中，Hall1和Hall2分别是传感器1和传感器2的输出。
因此，需要确定两个传感器ic之间的最佳距离，以便可以实现90度的相移，并且系统中的线性误差较小。图4报告了两个传感器IC的映射，它们的定位是为了具有90度的相移。对于这种特殊情况，使用直径为10 mm、长度为10 mm的磁铁，选择了7 mm的传感器间距。
图4。磁通密度与磁铁位移
图5报告了表示位移运动的反正切和最佳线性拟合。线性误差可以通过比较反正切和线性曲线来计算。线性误差曲线如图6所示。
图5。用于测量线性误差的arctan2结果的最佳拟合曲线
图6。磁系统线性误差曲线
减少线性误差的测绘数据分析
在本节中，将分析改变两个传感器IC（图1中的P）和气隙（AG）之间的间距对线性误差的影响。通过验证不同气隙下的线性误差曲线，可以确定两个传感器IC之间的最佳距离。图7、8和9分别报告了3 mm、5.5 mm和7.5 mm气隙的精度误差，同时将传感器间距从3 mm变为8 mm。可以注意到，7 mm的螺距在各种气隙处给出了最小的总体线性误差。
图7。对于各种IC间距，AG=3mm时的线性误差
图8。对于各种IC间距，AG=5.5 mm时的线性误差
图9。对于各种IC节距，AG=7.5 mm时的线性误差
传感器间距可被视为独立于气隙，因此下一步已绘制了3mm、5.5mm和7.5mm气隙的传感器IC间距的线性误差曲线（图10）。可以注意到，线性误差随着气隙的增加而减小。在7.5 mm的气隙处，可以测量30 mm的位移，精度为±1%。
图10。不同气隙下7mm传感器间距的线性误差与位移
对于3 mm、5.5 mm和7.5 mm的气隙以及7 mm的传感器间距，以毫米表示的线性误差公差与位移的关系如图11所示。同样，随着气隙的增大，误差容限减小。
图11。线性误差公差范围（±mm）与绝对位移，对于不同气隙下的7mm传感器间距
Verification of measurements through magnetic simulations
本节介绍了对7.5 mm气隙和7 mm传感器间距进行的进一步分析。通过对磁系统的模拟，可以验证先前的测绘测量结果。并对仿真结果进行了类似的线性误差分析。用于磁模拟的工具是ANSYS®Maxwell®。
7.5 mm气隙和7 mm传感器IC间距的实验（映射）和模拟结果的输出曲线对比如图12所示。可以注意到，在这两种情况下，传感器IC响应与预期的正弦信号非常相似。
图12。带有传感器1和传感器2的磁铁的实验值和模拟值的霍尔输出结果
使用两个实际传感器IC的线性误差曲线和模拟如图13所示。误差以毫米为单位。可以注意到，磁模拟的线性误差结果与这些特定尺寸的磁体的映射结果非常相似。
图13。A1363保持7 mm传感器IC间距和7.5 mm气隙的实验和模拟值的线性误差曲线
两个Allegro传感器芯片的线性误差特性分析
在本节中，将考虑偏移和灵敏度误差的影响，因为这些误差是每个传感器固有的。为此，将分析两个线性传感器IC的组合。使用了7.5 mm的气隙和7 mm的传感器间距。分析将使用一对Allegro装置进行，首先使用A1363型，然后是A1324型.
A1363设备结果
Allegro A1363是一款低噪声、高精度、可编程线性霍尔效应传感器IC，具有高带宽（120 kHz）模拟输出。在这一分析中，两个A1363设备之间使用了7.5 mm的气隙和7 mm的间距。
Intrinsic sensor errors need to be considered for a realistic scenario. The sensitivity and offset errors for the A1363 device, through the full automotive temperature range, are:
- A1363传感器计算的灵敏度误差=2.68%
- A1363传感器计算的偏移误差=4.44 G
错误数基于设备数据表参数的最坏情况统计计算。
分析中使用了两个传感器集成电路的最差误差组合。在方程2中，对于传感器1，灵敏度误差和偏移误差被加到理想霍尔输出传感器1上。对于传感器2（方程式3），灵敏度和偏移误差的极性已反转：
传感器1和传感器2的霍尔电压输出如图14所示，由于偏移和灵敏度误差而有或无移位。线性误差曲线如图15所示，考虑了灵敏度和偏移误差。作为位移函数的7.5 mm气隙和7 mm传感器间距的可接受误差如图16所示。
图14。A1363霍尔输出结果，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图15。A1363考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差的线性误差曲线
图16。A1363线性误差公差范围（±mm）与绝对位移，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
A1324型device results
Allegro A1324是一款具有模拟输出的低噪声线性霍尔效应传感器IC。在这一分析中，两个A1324设备之间使用了7.5 mm的气隙和7 mm的间距。
对于实际情况，需要考虑传感器的固有误差。A1324装置在整个汽车温度范围内的灵敏度和偏移误差为：
- A1324传感器计算的灵敏度误差=13.61%
- A1324传感器计算的偏移误差=27.10 G
错误数基于设备数据表参数的最坏情况统计计算。
分析中使用了两个传感器集成电路的最差误差组合。在方程4中，对于传感器1，灵敏度误差和偏移误差已添加到传感器1的理想霍尔输出中。对于传感器2（方程式5），灵敏度和偏移误差的极性已反转：
传感器1和传感器2的霍尔电压输出如图17所示，由于偏移和灵敏度误差，有无移位。线性误差曲线如图18所示，考虑了灵敏度和偏移误差。作为位移函数的7.5 mm气隙和7 mm传感器间距的可接受误差如图19所示。
图17。A1324线性误差对试验曲线mental and simulation values maintaining a 7 mm sensor pitch and an air gap of 7.5 mm
图18。A1324霍尔输出结果，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图19。A1324线性误差公差范围（±mm）与绝对位移，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
与其他磁铁配置的分析
对另外两种圆柱形磁铁配置进行了进一步分析：
- 直径5 mm、长度10 mm的圆柱形磁铁，称为磁铁1
- 直径10 mm、长度20 mm的圆柱形磁铁，称为磁铁2
在前面章节中分析的直径为10 mm、长度为10 mm的圆柱形磁铁将被称为磁铁3。
The analysis performed on magnet 1, the same as that described in the previous sections for magnet 3, shows that the pitch between the sensor ICs is the same, 7 mm. The difference in diameter does not affect the sensor pitch.
可以注意到，在磁体1的直径小于磁体3的情况下，检测到的磁场强度减小。这意味着系统更容易受到传感器IC的灵敏度和偏移误差的影响。相反，磁铁2的长度比磁铁3长，为了使两个正弦信号偏移90度，两个传感器IC的间距应为12 mm。
可以注意到，使用较长的磁铁（磁铁2），可以以较小的线性误差测量较大的位移。例如，30 mm位移的测量精度为±0.03%，60 mm位移的测量精度为±0.5%（图20）。通过应用后处理线性化，可以进一步改善结果（图21）。
图20。各种磁铁配置的线性误差公差范围（±mm）与绝对位移的比较
图21。反正切误差曲线线性化对减小线性误差的影响
结论
通过使用两个理想的传感器IC和直径为10 mm、长度为10 mm的圆柱形磁铁（称为磁铁3），可以以±1%的精度测量30 mm的位移。
两个传感器IC的定位方式是以90度相位差产生两个正弦信号；在这种情况下，相当于7毫米的螺距。
The diameter of the magnet does not affect the maximum displacement using an ideal sensor, as demonstrated by magnet 1 but, in this case, the detected magnetic field strength reduces and a higher error is expected when the sensor IC tolerances (offset and accuracy) have been taken into account.
如磁铁2的情况，通过将磁铁长度增加到20 mm，可以测量30 mm位移，精度为±0.03%，或60 mm位移，精度为±0.5%。在这种情况下，应调整传感器IC的螺距，以使两个正弦信号具有90度的相位差。
当传感器集成电路的灵敏度和偏移误差被包括在内时，线性误差受到轻微的影响。增加的线性误差取决于传感器IC的类型和磁场强度。在非常精确的系统的情况下，可以使用例如以下技术进一步减小线性误差：
- Use more than two sensor ICs
- 使用大尺寸的磁铁
- 使用后处理补偿，如线性化，以纠正残余误差
从上述分析可以看出，磁模拟结果与各种磁铁的经验测量值在位移范围测量和误差容限方面有很好的相关性。因此，可以采用经验方法和模拟方法。