A1332角度传感器集成电路的先进片上线性化
A1332角度传感器集成电路的先进片上线性化
作者:Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing
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介绍
在工业自动化和机器雷竞技最新网址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需求。雷竞技最新网址这些可能包括:安排(离轴或对轴)，气隙，精度和温度范围，以及其他。特别是，最大限度地减小温度的角度误差、位置偏差和气隙是一个关键目标。
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。
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：内在非线性，参数温度漂移和噪声。
- 磁输入相关错误：现场强度变化和现场非线性。
角度误差是指磁铁的实际位置与角度传感器IC测量到的磁铁位置之间的差值。这种测量是通过读取角度传感器IC的输出并与高分辨率编码器进行比较来完成的。
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：轴外（左）和轴上（右）
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，即使在轴上的磁性设计均遭受相对较大的未对准，在生产线中的客户模块的组装过程中发生了相对较大的错位。这些磁性误差源是不可避免的，并且减轻它们通常是不可能的，几乎总是昂贵的。
至于角度传感器IC相关的误差，在发货给客户之前，由制造商对固有的非线性和参数温度漂移进行优化。使用片上滤波可以优化客户应用的噪声性能。
先进的线性化
本文档描述了一个角度传感器IC（AllegroA1332)，这个问题是通过使用先进的线性化技术来解决的，以补偿这些误差在客户的生产线末端制造位置。特别是，它显示了如何将超过±20°的磁输入相关误差线性化至±0.3°:大约提高了65倍。
这种线性化可以根据目标磁体围绕角度传感器IC的单次旋转的数据来执行。从这个旋转的角度读数被用来产生线性化系数，然后存储到片上EEPROM中，优化角度传感器IC用于该磁性系统。
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。
这两种技术都可以很容易地使用allegro提供的软件来计算系数和片上EEPROM编程。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
在讨论磁场传感器时，可以使用两种不同的气隙定义:封装气隙和晶体气隙。
包气隙
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：水晶气隙Vs.Package气隙
角度错误
角度误差是磁铁的实际位置与角度传感器IC测量到的磁铁位置之间的差值。这个测量是通过读取角度传感器IC的输出并将其与高分辨率编码器进行比较来完成的(见图3)。
图3:角度误差定义
精度误差
在本文档中，角度误差显示为不对准的函数。为此目的，有必要引入一个单角度误差定义为全旋转。将一次全回转的“汇总”角误差定义为角精度误差，计算公式如下:
换句话说，它是从0°到360°之间的一条完美直线的偏差幅值。
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。
就角度传感器IC相关误差而言，在发货给客户之前，在Allegro的生产线末端测试操作中，每个Allegro角度传感器IC的固有非线性和参数温度漂移都进行了优化(这些参数参见数据表规范)。通过使用片上滤波，可以为客户应用程序优化噪声性能(参见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:磁体R1尺寸
图5：磁铁R2尺寸
| 磁铁名称 | 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，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
由A1332测量，用于磁体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：带磁铁R2的侧轴布置
图8：轴外排列，带磁铁R2，侧视图
对角度传感器IC在等距离角点的输出进行一次旋转采样，得到如图9所示的传输特性。
图9:目标磁体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R1磁铁的角度误差光谱分析
图11显示了R2磁铁的类似分析。
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谐波贡献，而1英石， 4th， 3rd.，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)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BR.和B.t，如图12所示。
图12：径向（bR.)和切向的(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。
这些不匹配导致在多个谐波项的角度误差轮廓。因此，很明显，只有纠正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：磁体R1，径向和切向场部件
图14：磁铁R2，径向和切向场部件
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:角度输出使用R1，前和后分段线性化
上面的图15说明的角度输出的A1332都有和没有分段线性化。
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
- 收集数据
关闭除分段线性化（SL）的所有算法处理（SL），角度补偿（AC）和IIR过滤（FI），如果期望（CFG_2中的AC位，Word 6，EEPROM位12 + 13，SRAM位16+）17，SL位为）。打开分段线性化旁通位（SB位，Word 6，EEPROM位21，SRAM位25）。该功能可用于采取分段线性化所需的测量，而无需以其他方式将线性化表预先编程到直线。
找到所需的零参考点，实现线性插值段将是+22.5，+45，等等，从这个参考点。对于侧轴，选择误差在峰值或低谷的点是最优的。此时的角度传感器IC读数将在下一步输入LIN_OFFSET系数。
在增加角度位置的方向移动编码器。如果传感器角输出也不增加,然后设置LR钻头扭转角的方向传感器集成电路或旋转编码器在相反方向的校准步骤中,在这种情况下,post-linearization旋转钻头(RO)可能需要设置校准完成后。更多细节请参阅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。 - 项目系数
程序LIN_OFFSET与*(4096/360)相乘后，在缩放后用HEX写。
在乘以*（4096/360）之后的Lin_Coeff中的每一个，重新划分为Hex。 - 使线性化
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以角度误差的形式说明了与已知的良好编码器角度参考相比较的分段线性化性能。
图16：使用R1的角度误差，预先分割的线性化
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：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the customer’s end-of-line.
图18:角度输出使用R1，前谐波和后谐波线性化
谐波线性化功能内部有很大的灵活性。个人谐波幅度和阶段的值存储在15个谐波中的每一个中的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(范围为0到3)，表示有多少次谐波从前一个分量跳过到当前分量。计数被应用为1 +N。例如，第一个组件（0x0c）最小（N= 0）是1英石和最大值(N= 3）是4th谐波。这种效果是累积的:当所有组件设置为N= 3, 60th谐波在第十五个组件（0x1a）上可用。作为示例，我们在侧轴配置中使用磁体R1，以便线性化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，可用于在客户雷竞技最新网址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，如果需要的话(CFG_2中的FI和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，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。更多细节请参阅A1332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个均匀间隔的数据点就足够了。 - 项目系数
对测量数据进行FFT，然后根据首选实现对HARMONIC_AMPLITUDE, HARMONIC_PHASE, ADV和HAR_MAX字段进行编程。这些特性的示例实现可从您的Allegro代表处获得。 - 使线性化
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显示了磁体R1的谐波线性化性能，HARMAX = 1到15(所有ADV字段都为0)。换句话说，这显示了从1开始进行增量谐波校正时的性能英石最多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
图20总结了相同的结果，显示了pk-pk角度误差(在y轴上)与应用的校正谐波的数量。角误差急剧下降后2n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(见分析磁误差一节)。
图20:线性化的角度误差VS应用的谐波数，使用R1
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：使用R1，更精细的样本分辨率和谐波线性化的角度误差
分段线性化和谐波线性化技术都非常适合轴上和轴外磁应用。雷竞技最新网址分段线性化将磁范围划分为更小的部分，这些部分以分段方式线性化，谐波线性化允许基于正弦的误差信号补偿，这有助于消除错位和侧轴安排中的高谐波误差内容。谐波线性化带来的额外性能是以较高的计算时间为代价的。
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。
对于许多应用程序来雷竞技最新网址说，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量
XYZ未对流对线性化角度传感器IC的影响
在本节中，我们分析了用于磁体R1和R2线性化的角度传感器IC的性能，然后在X，Y和Z轴上映射以进行错位误差，如图23所示。在磁体R1的情况下和R2，我们在x（气隙）= 2.75mm和4mm的初始起始位置分别使用Y，Z = 0mm，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。
| 磁铁R1轴 | min（mm） | 线性化点(毫米) | 最大（mm） |
|---|---|---|---|
| x（空气间隙） | 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 | min（mm） | 线性化点(毫米) | 最大（mm） |
| x（空气间隙） | 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:X, Y, Z映射轴的定义
图24：磁铁R1和R2的角度误差与空气间隙
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。
几个观察结果可以通过研究图24中的曲线图从在所述线性化点（由红色圆圈表示）的角度误差的值来进行，很显然，传感器IC的角度能够实现非常相似的后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，在研究误差曲线与图24中的空气间隙的形状之后，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），与磁体R2（蓝迹线）相比。
作为示例，将角度传感器IC和磁体R1之间的气隙提高1mm，导致与增加相同角度传感器IC和磁体R2之间的空气间隙达到相同的性能劣化4mm。磁体R2的更好的空气间隙性能可以归因于与R1（3mm厚）相比它是较厚的环磁体（5mm厚）。
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: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
从两个等高线图可以看出，在Y和Z的不对中相同的情况下，角度传感器IC +磁铁R2组合的结果比角度传感器IC +磁铁R1的角度误差增加更小。例如，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，谐波线性化方法的灵活性，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。结果表明，线性化后，可使±20°的角度误差在±0.3°以内。
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。
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。
最初发表在欧洲时代，2015年6月。