利用A1339角度传感器IC进行低功耗和匝数感应
利用A1339角度传感器IC进行低功耗和匝数感应
作者：特雷弗·布尔斯和威廉·威尔金森，
Allegro MicroSystems, LLC
介绍
多种应用，包括雷竞技最新网址工业自动化以及机器人技术electronic power steering (EPS)而电机位置传感需要监测旋转目标的角度。任何成功的角度测量系统的设计都需要基于用户的要求。本申请说明包括快板的使用雷竞技最新网址A1339型angle sensor ICfor battery-powered applications (automotive or non-automotive) that require the sensor to operate in multiple mission modes.
即使在钥匙关闭的情况下也需要传感器操作的汽车系统
某些汽车角度传感应用要求即使在钥匙关闭的情况下也能跟踪角度位置。在雷竞技最新网址钥匙关闭状态下，车辆中的大多数电压调节器不工作。因此，必须在钥匙关闭状态下工作的传感器通常直接由汽车电池（12伏）供电。此类应用的示例包括但不限于：
- 安全带被动安全系统
- EPS电机位置
通常情况下，这些电机和安全带系统都会减速，因此角度传感器IC需要计算多个角度传感器的旋转次数。出于这个原因A1339型包含一个电路,计算旋转s of a magnet. When sensor ICs are connected to the car battery, they must also have low-power modes that enable efficient battery usage.Very often, a sensor IC must track the turns-count (TCs) of the magnet even when the vehicle is in the key-off state. TheA1339型监视并跟踪TCs，即使设置为低功率模式。这将确保系统能够
在钥匙打开或关闭模式下使用A1339时，准确且一致地跟踪方向盘位置或安全带延伸。传统上，这种关闭键的要求是通过相对复杂的机械和电子元件的组合来实现的。这个A1339型通过执行绝对角度测量和TCs跟踪，可以降低系统级复杂性并消除许多系统组件，同时在车辆钥匙关闭时保持低电池功耗（100μA）。
A1339概述
这个A1339型是Allegro最快的360°角度传感器IC，基于磁圆形垂直霍尔（CVH）技术提供非接触式高分辨率角度位置信息。它有一个
片上系统（SoC）架构，包括CVH前端、数字信号处理、SPI、ABI/UVW和PWM输出。它还包括片上EEPROM技术，用于灵活的线端
校准参数编程。这个A1339型是需要0°至360°角度测量的汽车应用的理想选择雷竞技最新网址，如电子动力转向（EPS）、旋转换档器（PRNDL）、安全带张紧器和节气门系统。
这个A1339型角度传感器IC器件设计用于支持多种应用，并具有多种工作模式，按输出格式或功耗组织。雷竞技最新网址
Via the SPI or Manchester interface, theA1339型能够报告直接角度输出（通过所选输出接口报告的12/15位数字角度输出）或匝数
（TC）输出，是磁目标在顺时针或逆时针方向上所作的圈数的量化跟踪计数。
由功耗来描述A1339型具有正常功率模式、低功率模式和超低功率传输模式。
这个A1339型was designed for battery-powered applications where the task of tracking the target’s rotation can be delineated into one of two mission modes. The first mission mode can be described as an angle tracking mode, where the sensor IC tracks the output at full bandwidth and provides its measure of the angular output at full resolution (this is Normal Power Mode on theA1339型).
第二种任务模式（低功耗模式）可被视为转弯跟踪模式。在这种模式下，传感器IC不需要以全分辨率跟踪角度，只需跟踪即可
目标的圈数计数值。一圈计数单元的大小可以通过A1339中的EEPROM设置预先选择为180度或45度。A1339轨道–2048/+2047转弯
or –512/+511 when defining a turn as either 45° or 180° respectively. The turns count value is stored in a primary serial register which can be read at any time via SPI or Manchester protocol (outside
LPM的）。该值存储为12位2的补码有符号值。
正常功率模式
In Normal Power Mode, the IC draws maximum current (nominally 12 mA—see Normal Mode Supply Current specification in the A1339 datasheet for more details) to operate its full feature set, and updates the angle output register at the fastest rate as selected by the internal averaging setting (ORATE) (see the A1339 datasheet for more details).
Low Power Mode
In Low Power Mode (LPM), the IC does not provide angle readings over the SPI, PWM, UVW/ABI, or Manchester interfaces, the majority of the analog and digital circuitry are powered down, and the sensor IC periodically cycles between two different states. Most of the time, the sensor IC is held in a lower power quiescent current “sleep” state (I科科斯群岛<100μA）。在此状态下，模拟传感器断电，不进行角度测量。
传感器IC将周期性地进入“唤醒”状态，通过降低的功率信号路径监测磁铁位置，并更新匝数（ICC≈7 mA）。低功耗模式操作的休眠时间可由用户根据应用程序通过编程片上EEPROM存储器进行调整。图2显示了平均I科科斯群岛μA与可编程睡眠时间（t睡眠).
SPI输入引脚（MOSI、SCLK、CS）用作LPM的主仲裁器。当所有三个引脚都处于低电平至少60μs时，传感器IC将进入低功率模式（“唤醒”状态）。ABI和PWM引脚为三态，大多数数字和模拟电路断电。如果满足条件[BT1]，传感器IC将进入“睡眠”状态，并在“睡眠”和“唤醒”状态之间周期性循环，以监测磁铁的位置并更新匝数跟踪。
唤醒引脚用于外部强制“唤醒”[BT2]状态。当唤醒引脚高于可编程阈值时，传感器IC将进入其跟踪“唤醒”状态和监视器位置。同样，如果观察到转速过高，传感器IC将进入“唤醒”状态，以防止漏磁旋转。
运输方式
某些电池供电的应用在长期储存和/或运输期间（例如雷竞技最新网址，当新车从装配线运输到经销商时）需要特别低的IC功耗。为了满足这一需求，A1339采用了一种称为传输模式的超低功耗模式。传输模式用于将A1339置于深度睡眠状态，以实现超低功耗。在此模式下，传感器IC不跟踪角度或转动计数。通常，在传输模式下，IC每片芯片消耗60μA电流。
尾销
A1339提供了一个唤醒输入引脚。此引脚用于将设备从低功耗模式睡眠状态唤醒。这种唤醒引脚可用于特殊情况下，电机加速度太高，系统无法承受等待整个低功耗睡眠时间到期。当唤醒引脚上的电压阈值超过V时唤醒（HI），IC将从睡眠状态中醒来并开始连续跟踪转弯。该引脚通常连接到所用电机的反电动势电压信号的滤波版本。这允许在高加速事件的情况下，从电机到匝数计数电路的快速反馈。星形三相电动机反电动势的符号波形表示，以及滤波电路示例如下所示。
这个A1339型当唤醒引脚电压上升到V以上时，将从休眠状态退出唤醒状态唤醒（嗨)一旦电压降到V以下就返回唤醒（低).
SETTING THE WAKE PIN THRESHOLD
这个WAKE pin high threshold level, as well as the hysteresis between the Low and High values, are programmable via EEPROM. This allows the entrance and exit of LPM sleep to coincide with a specific RPM value, across a range of motor designs and rectification circuit implementations. The values are controlled through two EEPROM fields, the “wp_thres” which adjusts the threshold value of the V唤醒（HI）and “wp_hys” which controls the hysteresis between V唤醒（HI）和V唤醒（低).
当磁滞和阈值EEPROM相结合时，允许选择表1所示的配置。
表1：唤醒引脚阈值和滞后控制位
| 字段名称 | EEPROM（阴影）位置 | Size (bits) | 违约 | 功能 |
| 可湿性粉剂 | 0x1B（0x5B）[9:8] | 2 | 012 | 选择V和V之间的电压差唤醒（HI）和V唤醒（低). 50、150、300、400 mV可选。 |
| 工作压力 | 0x1B（0x5B）[7:4] | 三 | 0002 | 选择V唤醒（HI）门槛。 |
Table 2: WAKE Pin Threshold Settings
| Wake Threshold | 尾迹滞后 | 门槛(rising) (mV) |
滞后电压 (mV) |
门槛 (falling) (mV) |
|||
| Bit2 | Bit1 | 比特0 | Bit1 | 比特0 | |||
| 0 |
0 | 0 | 0 | 0 | 300 | 50 | 250 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 300 | 150 | 150 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 300 | 300 | 100 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 300 | 400 | 100 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 350 | 50 | 300 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 350 | 150 | 200 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 350 | 300 | 100 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 350 | 400 | 100 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 400 | 50 | 350 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 400 | 150 | 250 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 400 | 300 | 100 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 400 | 400 | 100 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 450 | 50 | 400 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 450 | 150 | 300 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 450 | 300 | 150 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 450 | 400 | 100 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 500 | 50 | 450 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 500 | 150 | 350 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 500 | 300 | 200 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 500 | 400 | 100 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 550 | 50 | 500 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 550 | 150 | 400 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 550 | 300 | 250 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 550 | 400 | 150 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 600 | 50 | 550 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 600 | 150 | 450 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 600 | 300 | 300 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 600 | 400 | 200 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 650 | 50 | 600 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 650 | 150 | 500 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 650 | 300 | 350 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 650 | 400 | 250 |
Transitioning Between Modes
这个A1339型它的设计使得它可以根据不同的系统参数在正常功率模式（NPM）、低功率模式（LPM）和传输模式（TM）之间进行转换。类似地，传感器IC将根据磁转速在LPM的两种不同工作状态之间转换，或超过尾针阈值（V唤醒（HI）).This ensures that valuable TC information is not lost due to the target rotating too quickly while the sensor IC is in Low Power Mode.
为了更好地理解这一点，考虑一些基于图5所示状态图的场景，以及表3所示的信息。假设传感器IC已通电并处于NPM模式。因此，它将能够提供表3 NPM中描述的所有功能。现在，如果控制器决定省电并进入LPM，那么它必须满足图5的分支A中概述的条件。
这个sensor IC first enters LPM in the awake state, if the conditions outlined in branch B are met, then the sensor IC will enter its sleep state and automatically alternate between awake and
根据程序设定的t睡眠睡眠.Conversely, the sensor IC can be externally forced to its awake state by meeting the prerequisites of branch C.
At any time during LPM (in awake or sleep state), NPM may be reentered by bringing any of the SPI input lines above V伊利诺伊州.
以类似的方式，通过满足状态图的分支a、B、C、D或E指定的适当条件，系统可以在NPM、LPM和TM之间导航。
表3：模式状态
| 正常功率模式 (NPM) |
Low Power Mode (LPM) |
运输方式 （TPM） |
|
| 角度传感器 功能 |
可用通信
|
可用通信
|
可用通信
|
可用角度输出数据：
|
可用角度输出数据：
*TC值在LPM中被跟踪，但在退出LPM时只读。 |
可用角度输出数据：
|
|
| 当前 消费 |
14mA nominal per die | 每个模具标称100μA* *ICC varies based on programmable |
每个模具的标称电流约为60μA |
Enabling Transport Mode
运输模式类似于LPM，但没有周期性的轨道转弯唤醒。这允许传感器IC保持与带电电压源的连接，同时消耗尽可能少的电流。
在将SPI线路调低之前，必须启用传输模式。这是通过在CTRL串行寄存器（0x1E）内的“特殊”操作字段中写入6来实现的。
一旦启用，下次传感器IC检测到LPM请求时（由SPI线变低表示），它将进入传输模式。
表4:A1339控制串行寄存器
| 地址 (0x00) |
注册 符号我 |
地址ed Byte (MSB) | 寻址字节（LSB） | LSB地址 |
|||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 三 | 2 | 1 | 0 | ||||
| 0x1E型 | ctrl键 | special | 0 | cls公司 | slw公司 | 克莱 | 启动\u特殊 | 0x1F型 | |||||||||||
User-Programmable Features for Low Power Mode and Turns Counting
这个A1339型allows significant programmability of its LPM functionality, such as the size of a turn, the sleep time during LPM, and maximum angle delta between turns. The EEPROM fields controlling this are shown in Table 5.
这个“lpm_wake_threshold” specifies the maximum angle delta between “wake” states. In conjunction with “lpm_cycle_time”, these fields specify a maximum RPM for which the sensor IC will enter its “sleep” state (SAWAKE(TH)). By default this is set to ≈100 RPM.
如果测得的转速超过此值，A1339将不会重新进入“睡眠”状态，而是会连续监测匝数，直到转速降至默认值的阈值以下。
表5：低功率模式和匝数计数的用户可编程特性
| Field | EEPROM地址[位] （阴影） |
违约 | 价值 | 功能 |
t45级 |
0x1D（0x5D）[23] | (1) | 0 | 转角每180度递增/递减一次 |
| 1 | 转角每45度递增/递减一次 | |||
| 胎压监测器 | 0x1D（0x5D）[21] | 0 | 0 | 允许使用传输模式（仍然必须通过CTRL寄存器发出） |
| 1 | 禁用传输模式 | |||
| lpmd公司 | 0x1D（0x5D）[20] |
0 | 0 | 启用LPM |
| 1 | 禁用LPM | |||
| lpm\周期\时间 | 0x1D（0x5D）[17:12] | (001011)2 (11)10 |
– | 低功率循环（休眠）时间，增量为8.192 ms。遵循公式[（n+1）×8 ms]。默认值为98.3毫秒。 |
| 我pm_wake_threshold | 0x1D(0x5D) [10:0] | (01010011111)2 (671)10 |
– | Angle difference equating to wake velocity 门槛。Also used in Normal Power Mode to decide entry to LPM. 12-bit angle resolution. 0-180 degrees. Default of 59°. |
给定睡眠时间的最大转速
在LPM中，A1339定期退出休眠模式，以监控磁位并更新匝数。这个休眠周期决定了最终的LPM电流消耗，以及可以安全跟踪转弯的最大转速。
当传感器IC休眠时，确定磁铁移动的角距离由运动学方程控制，如方程1所示。
θ=6ν×t+½×αt2(1)
其中θ是最大期望角行程，通过“lpm\U wake\U threshold”字段设置，
ν是转速，单位为RPM，
t是以秒为单位的睡眠时间
α是给定ν（in°/s）时预期的最大加速度2).
图6显示了给定睡眠时间的最大转速，假设每个睡眠周期的默认最大角度偏差为59°（lpm\u wake\u threshold）。选择此默认角度偏转时，应确保A1339型当使用默认睡眠时间时，将以100 RPM退出睡眠模式。由于该值是EEPROM可编程的，因此可以将其调整为稍微不太保守的值。调整此值时，Allegro建议将其设置为不大于90°（如果在一个睡眠周期内检测到大于135°的磁铁偏转，则TCW警告标志将显示）。这提供了180度的安全裕度，之后相对方向的变化是不明确的。
从图6可以看出，最大预期加速度限制了可使用的睡眠时间长度。这是由于方程1中的α项成为
dominant factor at high acceleration rates. Even with an initial velocity of 0 RPM, a constant acceleration rate of 6000°/s2150 ms将导致大于59°的角偏转。因此，决定睡眠时间长短的不仅是最大转速，还有最大加速度，从而决定最终的lpmi科科斯群岛价值观。
在设计系统时，考虑转速和电流比考虑转速和睡眠时间更有用。以这种方式绘制时，最大RPM与LPM电流消耗具有相对线性关系。这在图7和表6中显示。
表6：最大转速和近似平均转速科科斯群岛价值观。6000°/s2acceleration
| 最大转速 | Average I科科斯群岛（微安） |
| 1200 | 220 |
| 600 | 140 |
| 400 | 110 |
| 220 | 90 |
| 100 | 75 |
结论
除了提供非接触式磁角度传感的所有标准优点之外A1339型还提供了在要求低功耗的严格电池供电（包括汽车）系统中运行的能力。最后，凭借其在正常和低功率模式下跟踪转弯计数的能力A1339型非常适合于简化复杂的机械设计，以便在不影响系统整体鲁棒性和可靠性的情况下，在关键关闭条件下跟踪磁目标位置。
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