A1332角度传感器IC中的先进的片上线性化
A1332角度传感器IC中的先进的片上线性化
由Alihusain Sirohiwala和Wade Bussing，
雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems，LLC
介绍
从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机位置传感的许多应用都需要监测旋转轴的角度，无论是轴上还是轴外的安排。
任何成功的角度测量系统的设计都需要基于特定的用户的要求。雷竞技最新网址这些可以包括：布置（轴轴或轴上），空气间隙，精度和温度范围等。特别地，最小化角度误差超过温度，位置未对准和空隙，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。
磁角测量系统有两个主要的误差来源:
- 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。
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。
只要角度传感器IC相关误差涉及，在向客户发货之前，制造商优化了内在非线性和参数温度漂移。可以使用片上过滤优化噪声性能。
高级线性化
本文档描述了一个角度传感器IC（AllegroA1332）通过使用高级线性化技术来解决此问题，以补偿客户端的线路制造位置的这些错误。特别是，它表明磁性输入相关误差超过±20°的线性可以线性化至低至±0.3°：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。
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。
- 谐波线性化是以15个校正谐波的形式进行线性化，这些谐波的相位和振幅是通过快速傅里叶变换(FFT)对从绕角度传感器IC旋转的磁铁收集的数据进行测定的。
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。接触您当地的Allegro代表获取最新的dll、软件gui和编程硬件。
定义
气隙
谈论磁场传感器时，可以使用两个不同的气隙定义：包装气隙和晶体气隙。
包装气隙
包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壳体中的传感元件与磁铁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，气隙术语总是指包装气隙。该传感元件位于封装顶表面以下0.36 mm处。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.包装气隙
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）。
图3：角度误差定义
准确性错误
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°和360°之间的完美直线的偏差的幅度。
区分角度传感器集成电路相关误差和磁输入相关误差是很重要的。本文档强调了如何使用A1332角度传感器IC的先进功能来补偿磁输入相关的错误。
至于角度传感器IC相关误差，在运送到客户之前，为Allegro的线路测试操作中的每个Allegro角度传感器IC进行了针对每个Allegro角度传感器IC进行了优化的内在非线性和参数温度漂移。通过使用片上过滤可以针对客户应用进行优化噪声性能（请参阅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：磁铁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。通常气隙的范围在2 ~ 4mm之间。图5显示了磁体R1和R2的磁场与气隙的关系。
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
通过A1332测量，对于磁铁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:R2磁铁的侧轴布置
图8:偏轴排列，磁铁R2，侧视图
基于一个旋转采样在等距角点处的角度传感器IC输出，我们得到如图9所示的传送特性。
图9：具有目标磁铁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：使用磁体R1的角度误差的光谱分析
图11显示了对磁体R2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2nd调和贡献，而1圣，4th，3rd.，高次谐波是造成其余误差的原因。这种错误的根本原因是在径向(Br）和切向（bt） 组件。通过角度传感器IC测量相位或角度的磁场矢量可以表示为两个正交分量Br和B.t，如图12所示。
图12：径向（br）和切向（bt)域的组成部分
理想情况下，这些分量应在振幅上相同，在相位上正交。任何偏离这一理想的情况都会在合成角测量中引入误差。在用于侧轴传感的环形磁体中，径向和切向分量的不匹配是磁体设计和制造过程中固有的，根据制造商和制造方法的不同可能会有所不同。在圆柱形磁铁的情况下，径向和切向的不匹配可以通过增加偏心或不对准之间的角度传感器IC和磁铁。
这些不匹配导致具有多个谐波的术语的角度错误配置文件。因此，很明显，只纠正2nd谐波误差项是不够的，特别是如果要求高精度性能。
图13：磁体R1，径向和切向场部件
图14:R2磁铁径向和切向磁场分量
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：使用R1的角度输出，预先分割的线性化
以上图15示出了A1332的角度输出，无论是和没有分段的线性化。
为了实现这一点，必须创建一组初始线性化系数。用户取15个角度样本:在从0到360度的完整旋转范围的1/16间隔。0参考点由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0参考点相同，也不在系数表中表示。在线段边界处的其余测量角度被放置在LIN_COEFF1…LIN_COEFF15 eepm字段。下面的说明描述了应用这些线性化系数的基本算法。该方法的示例实现可作为Allegro客户评估软件工具。
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，意识到线性插值的段将来自该参考点的+22.5，+45等。对于侧轴，选择误差处于峰值或谷的点是最佳的。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的方向或沿对该校准步骤的相反方向旋转编码器，在这种情况下，线性化旋转位（RO）将校准完成后可能需要设置。有关更多详细信息，请参阅A1332编程参考。
移动22.5°的编码器步骤，读取15个角度组。这个过程将产生15个LIN_COEFF系数。 - 程序系数
*(4096/360)乘以后的程序LIN_OFFSET，在重新缩放后写入HEX。
每个程序的LIN_COEFF乘以*(4096/360)后，写入十六进制后的缩放。 - 启用线性化
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。
图16：使用R1的角度误差，预先分割的线性化
虽然如图16所示准确，但图16并不能直观地描述真实的角度误差性能:它只显示了传递函数中后线性化误差最小的点处的角度误差。如果我们用一个小得多的角度步距再次测量相同的设备，我们会看到如图17所示的结果。注意连续线性化点之间的误差“波瓣”。这是意料之中的，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。给定这种类型的正弦输入错误模式，图17是使用16段分段方法所能达到的最佳性能。分段线性化实现在A1332只允许这种16段的线性化。这种方法的性能可以通过增加线段的数量或使线段长度可变来改进，以便更细的线段可以用于具有更高曲率的区域。然而，这两种增强都会导致更高的处理时间和复杂性。
图17:角度误差使用R1，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：使用R1的角度输出，预先和后谐波线性化
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。
需要在线性化中应用的谐波数可以通过使用4位HAR_MAX EEPROM字段来指定。该设置决定了有多少单独的谐波分量(从1到15)用于计算谐波线性化(Adv字段用于确定每个分量应用哪些谐波)。
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），表示从先前的组件跳过了多少次次组件。计数适用为1 +n。例如，第一个组件（0x0c）最小（n= 0）是1圣谐波，最大值（n= 3）是4th谐波。效果是累积的：当所有组件设置为时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，如果期望（CFG_2中的TC位，Word 6，EEPROM位12 + 13，SRAM位16 + 17）。
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。有关更多详细信息，请参阅A1332编程参考。
在编码器步骤中移动，使得所得到的数据是2.通常，32或64个均匀间隔的数据点足够。 - 程序系数
在测量数据上执行FFT，然后根据首选实现程序编程Hasmonic_amplitude，Harmonic_Phase，ADV和HAR_MAX字段。您的Allegro代表可以获得这些功能的示例实现。 - 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Magnet R1的谐波线性化性能，Hymax = 1到15（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
相同的结果总结在图20中，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谐波校正是预期的，因为大部分的光谱误差内容存在于2nd谐波（参见分析磁误差的剖面）。
图20：使用R1应用的线性化角度误差与应用的谐波数
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，每个运行以更精细的角度步骤（更高分辨率）重新测量相同的设备。数据显示没有底层更高的错误区域。后线性化误差<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
分段和谐波线性化技术都非常适合于轴上和轴外的磁性应用。雷竞技最新网址分段线性化将磁量程分成更小的部分，以分段的方式进行线性化，而谐波线性化允许基于正弦的误差信号补偿，这有助于消除不对准和侧轴布置中的高谐波误差内容。谐波线性化增加的性能是以更高的计算时间为代价的。
图22描述了增加到谐波线性化的每个谐波的角度测量的额外延迟。例如，根据图20中的数据，为了达到<1°，至少需要7次谐波校正，增加35 μs的处理时间延迟。这意味着每一个角度的样品都需要额外的35 μs来处理。相比之下，分段线性化需要额外的22 μs计算时间。因此，对于这种特殊的磁铁，改善谐波线性化的误差性能是以额外的13 μs延迟为代价的。
对于许多应用程序来雷竞技最新网址说，额外的延迟不会成为问题。例如，在典型的电子助力转向(EPS)系统手轮角度传感器芯片中，每1ms就需要一个新的角度值，这意味着有足够的时间进行15次线性化。此外，许多系统将利用A1332的ORATE特性，以减少过采样角度测量的噪声底。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。
图22:添加的角度延迟与使用的谐波数
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（mm） | 最大（mm） |
|---|---|---|---|
| x（空气间隙） | 2.0 | 2.75 | 4.5 |
| Y(横向) | -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（mm） | 最大（mm） |
| x（空气间隙） | 4.0 | 4.0 | 8.0 |
| Y(横向) | -2.0 | 0．0 | 2.0 |
| Z（垂直） | -2.0 | 0．0 | 3.0 |
图23：x，y和z映射轴的定义
图24:角度误差与气隙的磁铁R1和R2
图24中示出了作为空气间隙（X轴）的函数的磁体R1和R2的角度误差性能。
通过研究图24中的曲线可以进行一些观察。从线性化点（由红色圆圈表示的角度误差的值，显然角度传感器IC能够实现非常相似的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）。
同样，我们可以通过比较R1和R2磁体的两幅填充轮廓图来分析横向和垂直(Y和Z)轴的错位性能，分别如图25和图26所示。这些图是通过使用实验室测量数据绘制空间中每个点的性能而生成的。对于这两幅图，原点(Y = 0, Z = 0)的位置代表线性化点(与图24中的红点相同)的性能。由于角度传感器IC从这个原点不对准，在每个点观察到的角度误差根据图示放在一个颜色“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°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°的区域。
图25:磁铁R1，在气隙= 2.75 mm处的不对准性能(垂直和横向轴)
图26：气隙下的磁体R2，未对准性能（垂直和横向轴）= 4毫米
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组合结果是较低的角度误差。作为示例，角度误差小于±1°的白色区域为0.669 mm2磁铁R1，而它是1.10毫米2R2的磁铁。此外，很明显，与R1相比，R2的白色区域是垂直“拉长”的。考虑到环形磁铁R2 (5mm)的垂直高度大于环形磁铁R1 (3mm)，这是有意义的。这些轮廓显示了角度误差性能与磁体几何形状的关系。
结论
芯片上的、可编程的和可定制的线性化，如在A1332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成本的系统设计。
虽然分段线性化达到更快的处理时间，但它有限于其纠正正弦误差术语。在这方面，谐波线性化表现更好。此外，谐波线性化方法的灵活性，特别是改变所用校正谐波数量的能力，允许用户在计算时间和错误性能之间实现最佳权衡。结果是当施加线性化时，可以在±0.3°内达到±20°。
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。
无论系统级设计师所面临的角度传感挑战是什么，适当的磁性设计和先进的芯片上的线性化的组合，发现在Allegro A1332，可以帮助实现理想的性能，同时最小化增加的复杂性和成本。
最初发表在欧洲时代, 2015年6月。