A1335角度传感器集成电路中的先进片内线性化

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作者：Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing，
雷竞技竞猜下载Allegro微系统有限责任公司

介绍

从工业自动化和机器雷竞技最新网址人技术，到电子动力转向和电机位置传感，工业中的许多应用都要求在轴上或轴外布置中监测转轴的角度。

为上述应用设计任何成功的角度测量系统都必须基于特定应用的需要。这些包括：排列（离轴或轴上）、气隙、精度和温度范围等。雷竞技最新网址

磁角测量系统有两个主要误差源：

传感器IC相关错误：

1. intrinsic nonlinearity;
2. 参数温度漂移；
3. 噪音。

磁输入相关错误：

1. 场强变化；
2. 场非线性。

每个Allegro角度传感器IC在Allegro生产过程中使用均匀磁场进行测试和校准。因此，在将角度传感器IC运送给客户之前，其固有的IC非线性和温度漂移被降低到最小。温度漂移信息请参考产品数据表。

在设计中使用磁铁时，在整个旋转范围内，磁输入很可能不均匀，这将产生固有误差。这些磁输入误差会导致系统中的测量误差。

当考虑具有更高固有磁误差的侧轴或离轴设计时，这些因素变得尤为重要。即使是最精确校准的角度传感器集成电路将产生不准确的结果，如果误差贡献的磁输入占主导地位。在大多数情况下，即使是在磁轴上
designs suffer from relatively large misalignments that occur during the assembly of the customer module in the production line. These magnetic error sources are inevitable and mitigating them is almost always expensive and often impossible.

世界的接近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，以补偿客户的生产线末端位置的这些误差。

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

该线性化可以基于来自目标磁体围绕角度传感器IC的单个旋转的数据来执行。从这个旋转的角度读数被用来产生线性化系数，然后可以存储到片上EEPROM，优化角度传感器IC，为磁系统。Allegro可以提供必要的软件和/或DLL，帮助客户在生产线末端对这些设备进行编程。

线性化选项

A1335角度传感器IC提供两种线性化技术。第一个叫做segmented linearization，第二个称为谐波线性化.

分段线性化是允许调整角度传感器IC的传输特性的可编程特性，使得所施加的磁场矢量角度的线性变化可以由角度传感器IC输出为相应的线性角度增量。它是对从围绕角度传感器IC的磁铁的一次旋转中收集的数据执行的。

另一方面，谐波线性化以11个校正谐波的形式应用线性化，所述11个校正谐波的相位和幅度是通过对从围绕角度传感器IC的磁体的一次旋转收集的数据执行FFT（快速傅立叶变换）来确定的。这两种技术都可以很容易地实现使用Allegro提供的软件来计算系数和编程片上EEPROM。请联系您当地的Allegro代表以获取最新的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：package air gap和晶体气隙.

包装气隙

封装气隙定义为传感器外壳最近边缘和磁铁最近面/切面之间的距离。

晶体气隙

晶体气隙是指传感器外壳中的传感元件与磁铁最近表面之间的距离。

为了说明这种差异，图2显示了侧轴或离轴配置中A1335角度传感器IC和磁铁的晶体气隙（4.0 mm）和封装气隙（2.407 mm）。

在本文件中，术语气隙always refers to the package air gap, unless otherwise stated. The sensing elements are 0.36 mm below the top surface of the package. The distance between the sensing element center and the closest short edge of the package is 1.593 mm.

角度误差

角度误差是磁铁的实际位置和角度传感器IC测量的磁铁位置之间的差值。该测量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（参见图3）。

精度误差

在本文档中，角度误差显示为未对准的函数。为此，有必要为完全旋转引入单角度误差定义。一次完整旋转时的“汇总”角度误差定义为角度精度误差，其计算公式如下：

换句话说，它是从一条0到360度的完美直线的偏离幅度。

区分角度传感器IC相关误差和磁输入相关误差是非常重要的。本文档重点介绍了A1335角度传感器IC中的先进功能如何用于补偿与磁输入相关的错误。

就角度传感器IC相关误差而言，在向客户发货之前，在Allegro的线端测试操作（这些参数见数据表规范）中，对每个Allegro角度传感器IC的固有非线性和参数温度漂移进行了优化。噪声性能可以优化
对于使用片上滤波的客户应用程序（请参阅A1335编程手册中的设置）。

磁铁

In order to compare the performance of the segmented or the harmonic linearization options, both linearization techniques were performed on the same magnets. The magnets used were Neodymium N45 dipole ring magnets available from Super Magnets. Figure 4 and Figure 5 illustrate magnet dimensions.

表1：离轴（左）和轴上（右）

Magnet Name	制造商	Inner 直径	外部 直径	高度	材料
R1	超级磁铁	7 mm	10毫米	3毫米	45号 镀镍
R2	超级磁铁	5毫米	10毫米	3毫米	45号 镀镍

平均磁场与气隙相关性

系统设计的第一步是为应用气隙选择合适的磁铁。通常气隙在2到4毫米之间。图5显示了磁场作为磁铁R1和R2气隙的函数。

By default, many Allegro angle sensor ICs are trimmed to datasheet specification at 300 G (30 mT). In the case of the A1335, there is also a magnetic autoscaling feature that dynamically adjusts internal gains to compensate for dynamic variations in air gap. However, care should be taken with the magnetic design so that the air gap variation does not result in fields that are too low (inadequate signal to noise ratio) or too high (saturation of signal-chain blocks). In general, field strengths from 300 G to 1000 G are ideal, with improved noise performance at the higher field levels.

磁铁误差分析

利用磁铁R1和R2，对测量角度时磁信号的固有非线性进行了分析。使用校准的A1332（A1335的前身）在理想对准下进行测量，如图7和图8所示。

基于在等距角点处对角度传感器IC输出的一次旋转采样，获得如图9所示的传输特性。

用FFT在频域分析上述角度误差，得到如图10所示的误差与谐波的关系。

图11显示了对磁铁R2的类似分析。

从FFT数据可以清楚地看出，磁铁R1和R2的大部分固有误差来自2^钕谐波贡献，而^圣, 4^第, 3^右d高次谐波是造成其余误差的主要原因。此错误的根本原因是径向（B）的振幅不匹配_右)和切向（B_t型)组件。由角度传感器IC测量相位或角度的磁场矢量可以表示为两个正交分量B_右和B_t型如图12所示。

理想情况下，这些分量的振幅应相同，相位应正交。任何偏离这一理想的情况都会导致角度测量的误差。在用于侧轴感应的环形磁铁中，径向和切向分量的不匹配是磁铁设计和制造过程固有的，并且可能因制造商和制造方法而异。在圆柱形磁铁的情况下，通过增加角度传感器IC和磁铁之间的偏心或未对准，可以引入径向和切向失配。

这些不匹配会导致在多个谐波条件下的角度误差分布。因此，很明显，只有纠正为2^钕谐波误差项将是不够的，特别是在需要高精度性能的情况下。

分段线性化

The A1335 Segmented Linearization is a programmable feature that allows adjustment of the transfer characteristic of the device so that changes in the applied magnetic field can be output as corresponding linear increments.

上图15显示了A1332的角度输出，包括分段线性化和不分段线性化。

为了实现这一点，必须创建一组初始线性化系数。用户在0到360度的整个旋转范围内每隔1/16的间隔采集15个角度样本。零参考点由LINïU OFFSET EEPROM字段设置。这将成为零误差点，因此不表示
在系数表中。同样，360度点与零参考点相同，也不在系数表中表示。其余在线段边界处测得的角度放在林系数1中。。。林系数15 EEPROM字段。以下说明描述了应用这些线性化系数的基本算法。此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
输出与编码器参考，无论是否应用分段线性化。图16显示了通过减去参考编码器值得到的角度误差，无论是否应用分段线性化。图17显示了应用分段线性化的角度误差剖面的放大视图。

分段线性化的实现步骤

1. Collect data
   
   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）、短冲程反转（IV）和旋转模具位（RD）。预线性化调整可以保持开启状态，例如：初始设置、IIR滤波器（FI）和预线性化旋转（LR）。
   
   通过将SL设置为1（CFG\ 2中的SL位，字6，EEPROM位16，SRAM位20）启用分段线性化。打开分段线性化旁路位（SB位、字6、EEPROM位21、SRAM位25）。这允许在不应用线性化系数的情况下进行测量。
   
   找到所需的零参考点，实现从该参考点开始的线性插值段为+22.5、+45.0等。对于侧轴，选择误差处于峰值或谷值的点是最佳的。该点的角度传感器IC读数将在下一步输入到LINïU偏移系数中。
   
   向增加角度位置的方向移动编码器。如果传感器角度输出也没有增加，则将LR位设置为反转角度传感器IC的方向，或在相反方向上旋转编码器进行此校准步骤。（在这种情况下，可能需要在校准完成后设置后线性化旋转位（RO））。详见A1335编程参考。
   
   以22.5度的步幅移动编码器，读取15度角套。这个该过程将产生15个林氏系数。
   
   
2. 程序系数
   
   与*（4096/360）相乘后的程序LINU偏移量，重缩放后用十六进制写入。
   
   在与*（4096/360）相乘后对每个林系数进行编程，重新缩放后用十六进制写入。
   
   
3. 启用线性化
   
   设置EEPROM位SB=0，因为不再需要绕过线性化功能（步骤1中的数据采集已经完成）。设置EEPROM位SL=1（注：应已从步骤1设置为1），以启用分段线性化。角度传感器IC输出现在应沿每个段线性插值，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良好编码器角度基准相比的分段线性化性能。

虽然如图所示准确，但图16并不是对真实角度误差性能的深刻描述。它只显示传递函数中后线性化误差最小的点的角度误差。如果对同一个装置进行再次测量，样品之间的角度步长要小得多，结果如图17所示。注意连续线性化点之间的误差“波瓣”。这是预期的，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。给定这种正弦输入错误模式，图17是使用16段的分段方法可以实现的最佳性能。

The segmented linearization implemented in the A1335 only allows for this 16-segment linearization. The performance of this method could conceivably be improved by either increasing the number of segments or by making the segment length variable, so that finer segments can be used for areas with higher curvature.
但是，这两种增强都会导致更高的处理时间和复杂性。

谐波线性化

在分析磁铁R1和R2的误差一节中可以看出，这些误差本质上是正弦的，这意味着它们通常可以用适当相位和振幅的成分谐波来很好地描述。谐波线性化利用这一特性，并以11次谐波的形式应用线性化，这些谐波的相位和幅度是通过对从客户线末端的角度传感器IC周围的磁铁的一次旋转收集的数据执行FFT（快速傅立叶变换）来确定的。

谐波线性化函数具有很大的灵活性。对于11个谐波中的每一个，单个谐波振幅和相位的值存储在12位EEPROM字段中。

用户可以使用4位HARƏu MAX EEPROM字段指定线性化中需要应用的谐波数。此设置确定有多少个单独的谐波分量（从1到11）用于计算谐波线性化。（Adv字段用于确定每个分量应用了哪些谐波。）

2位字段“Adv”字段设置应用谐波分量的连续对之间的增量。输入的值n（范围0到3）表示从上一个分量到当前分量要跳过多少谐波。计数应用为1+n。例如，第一个分量（0x0C）最小值（n=0）为1^圣谐波，最大值（n=3）为4^第谐波。效果是累积的；当所有组件都设置为n=3时，44^第谐波可在十五组件(0x16). As an example, a magnet R1 is used in a side-shaft configuration in order to linearize a sensor.

除了实现侧轴应用，这种线性化方法的灵活性在消除客户生产线末端的静态不对雷竞技最新网址中误差方面也非常有用。

谐波线性化的实现步骤

1. Collect data
   
   Turn off all post-linearization algorithmic processing; this includes ZeroOffset, Post Linerization rotation(RO), Short Stroke Inversion (IV), and the Rotate Die bit (RD). Prelineariztion adjustments may be left on, such as ORATE settings, IIR filter (FI), and pre-linearization rotation (LR).
   
   向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，则设置LR位以反转角度传感器IC的方向，或以相反方向旋转编码器进行校准（在这种情况下，可能需要设置后线性化旋转位（RO））。详见A1335编程参考。
   
   Move in encoder steps such that the resultant data is a power of 2. Usually, 32, or 64 evenly spaced data points are sufficient.
   
   
2. 程序系数
   
   对测量数据执行FFT，然后根据首选实现对谐波振幅、谐波相位、ADV和HAR_MAX场进行编程。您的Allegro代表提供了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。传感器输出现在应产生校正的角度输出。

结果

图19显示了磁铁R1的谐波线性化性能，在A1332上测得的HARMAX=1到11（所有ADV场=0）。（所有高级字段均为0）。换言之，这显示了当谐波校正从1递增应用时的性能^圣直到11点^第谐波。

图20总结了相同的结果，以显示pk-pk角误差（在y轴上）与应用的校正谐波数量的关系。角度误差的急剧下降^钕谐波校正是预期的，因为大部分的光谱误差内容驻留在2^钕谐波（见“分析磁误差”一节）。

为了进一步研究应用谐波线性化时的误差性能，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，每次测量时角度步长更细（分辨率更高）。数据显示没有潜在的高误差区。后线性化误差小于0.3度。

角度延迟注意事项

分段和谐波线性化技术都非常适合轴上和离轴磁应用。分段线性化将磁场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，这有助于消除未对准以及侧轴布置中的高次谐波误差。谐波线性雷竞技最新网址化带来的额外性能是以更高的计算时间为代价的。图22描述了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，根据图20中的数据，很明显要达到<1度，至少需要7次谐波校正。现在，看看图20中与7次谐波相关的处理时间中增加的延迟，它是35μs。这意味着每个角度采样将需要额外的35μs来处理。相比之下，分段线性化需要额外的22μs的计算时间。因此，对于这种特殊的磁铁，改进的误差性能
谐波线性化的代价是额外的13μs延迟。对于许多应用程序来说，额外的延迟不是问题。例如，在典型的电子动力转向（EPS）系统手轮角度传感器IC中，每1ms请求一个新的角度雷竞技最新网址值，这意味着有足够的时间执行甚至11次谐波的线性化。此外，许多系统将利用A1335的特性，通过过采样来降低角度测量的噪声。这也将固有地提供足够的时间来执行线性化功能而不增加延迟，因为额外的平均允许为线性化操作预算更多的时间。

Effect of XYZ Misalignment on Linearized Angle Sensor IC

在本节中，我们将分析角度传感器IC的性能，该IC已针对磁铁R1和R2进行线性化，然后针对X、Y和Z轴的未对准误差进行映射，如图23所示。在磁铁R1和R2的情况下，我们分别在X（气隙）=2.75 mm和4 mm处使用初始起始位置，Y，Z=0 mm，这样角度传感器IC位于磁铁高度的中间。我们使用此位置作为笛卡尔原点，并根据表2映射此参考的未对准性能。以下数据是使用Allegro A1332角度传感器收集的；A1335的性能将相似或更好。

表2：磁铁R1和R2的映射范围和线性化点

磁铁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中的曲线图可以得出一些观察结果。从线性化点的角度误差值（用红色圆圈表示）可以清楚地看出，角度传感器IC能够为两个磁铁实现非常相似的后线性化性能。从这个有限的角度来看，两种磁铁都可以实现相同的性能。然而，在研究图24中误差曲线与气隙的形状时，很明显，与磁铁R2（蓝色轨迹）相比，当角度传感器IC偏离线性化点（红色圆圈）时，磁铁R1（黑色轨迹）的误差上升幅度更大。

例如，将角度传感器IC和磁铁R1之间的气隙增加1mm会导致与将相同角度传感器IC和磁铁R2之间的气隙增加4mm大致相同的性能退化。与R1（3mm厚）相比，磁铁R2的气隙性能更好，这是因为它是一个更厚的环形磁铁（5mm厚）。

以类似的方式，通过比较磁铁R1和R2的两个填充轮廓图（分别如图25和图26所示），可以在横向和垂直（Y和Z）轴上分析未对准性能。这些曲线图是利用实验室测量的数据绘制的空间中每个点的性能。对于这两个图，原点（Y=0，Z=0）位置表示线性化点处的性能（与图24中的红点相同）。由于角度传感器IC未对准该原点，因此根据图示，在每个点上观察到的角度误差被放置在一个颜色“bin”中。图例上的数字表示峰值误差的程度。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。类似地，每个图中的棕色区域表示角度误差大于±7度的区域。

从这两个等高线图可以清楚地看出，对于Y和Z方向相同的未对准，与角度传感器IC+磁体R1相比，角度传感器IC+磁体R2组合的结果是较低的角度误差增加。例如，角度误差小于±1度的白色区域为0.669 mm²当磁铁R1为1.10 mm时²用于磁铁R2。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（5 mm）的垂直高度大于环形磁铁R1（3 mm），这是有意义的。这些轮廓显示了角度误差性能对磁铁几何结构的依赖性。

结论

There are many factors involved in a successful angle sensing application. Minimizing angle error over temperature, positional misalignment, and air gap, is key. These variables are related to system-level design choices like magnet geometry, magnet arrangement (on-axis or off-axis), magnetic material, and mechanical tolerances. As such, flexibility is required of the angle sensor IC to work around these potential error sources without adding complexity and cost to the system-level design. Even the best magnetic angle sensor IC is only as good as the magnetic field that is senses.

片上，可编程的，可定制的线性化，如在A1335角度传感器IC中实现的，允许系统设计者满足上述精度目标，而不增加额外的复杂性和系统设计成本。

The A1335 offers two linearization options—segmented and harmonic. Both of these options were studied using reference magnets R1 and R2. The results showed that although segmented linearization achieves faster processing times, it is limited in its ability to correct for sinusoidal error terms. In that regard, the harmonic linearization performs better. Additionally, the flexibility in the harmonic linearization, particularly the ability to change the number of correction harmonics used, allows the user to achieve the optimal trade-off between computation time and error performance. For both magnets R1 and R2, it was seen that ±20 degrees of angle error can be brought to within ±0.3 degrees with linearization applied.

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失调效应。可以看出，较高的环形磁铁可转换为更好的垂直偏差公差，而较厚的环形磁铁可转换为更好的气隙变化公差。

无论系统级设计师面临何种角度传感挑战，Allegro A1335中适当的磁性设计和先进的片上线性化相结合，都有助于实现所需的性能，同时将增加的复杂性和成本降至最低。