先进A1335角传感器集成电路芯片上的线性化

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由Alihusain Sirohiwala和韦德接吻,
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司

介绍

大量应用于indu雷竞技最新网址stries-spanning从工业自动化和机器人技术,电子动力转向和电动机位置sensing-require监测的角度旋转的轴在轴上或离轴安排。

任何成功的角度测量系统的设计对于上面的应用程序必须基于特定应用程序的需求。雷竞技最新网址这些包括:安排(离轴或轴上),气隙,精度和温度范围等。

磁的角度测量系统有两个主要的误差来源:

传感器集成电路相关的错误:

1. 内在的非线性;
2. 参数温度漂移;
3. 噪音。

磁输入相关的错误:

1. 磁场强度变化;
2. 非线性。

每个快板角度传感器集成电路测试和校准在急速地在生产过程中使用一个同质的磁场。因此,内在IC非线性和温度漂移是减少到最低角度传感器IC之前运往客户。请参考产品温度漂移的数据信息。

当使用磁铁设计,磁输入将很有可能不会同质在整个范围的rotation-it固有的错误。这些磁输入错误导致系统测量误差。

这些因素变得尤为重要在考虑side-shaft或离轴设计,有较高的固有磁场错误。即使是最准确的校准角度传感器集成电路将产生不准确的结果,如果错误的贡献从磁输入占主导地位。在大多数情况下,即使是同轴的磁性
设计遭受较大的失调,发生在客户模块的组装生产线。这些磁误差来源是不可避免和减轻他们几乎总是昂贵,经常是不可能的。

的方法快板A1335角度传感器集成电路是解决这个问题通过使用先进的线性化技术来弥补这些错误在客户的行尾制造位置。

本文档说明magnetic-input-related错误超过±20度可以线性化A1335至±0.3 degrees-roughly 65×改进。

这种线性化可以执行基于数据从单一目标磁铁的旋转角度传感器IC。这个旋转的角度数据用于生成线性化系数,然后可以存储在芯片上eepm,优化角度传感器IC,磁系统。快板可以提供必要的软件和/或dll程序帮助客户这些设备行尾。

线性化选项

有两个线性化技术提供A1335角度传感器IC。第一分段线性化,第二个谐波线性化。

分段线性化是一种可编程特性,允许调整角度传感器集成电路的传输特性,应用线性变化磁场矢量角可以作为相应的线性输出角增量的角度传感器集成电路。它是对收集到的数据从一个磁铁的旋转角度传感器集成电路。

另一方面,谐波线性化应用线性化的形式11校正谐波的相位和振幅决定通过一个FFT(快速傅里叶变换)上执行收集的数据从一个磁铁的旋转角度传感器IC。这两种技术可以方便地使用Allegro-provided实现片上eepm软件计算系数和程序。联系你当地的快板代表获得最新的dll, gui软件,硬件和编程。

定义

气隙

可以使用两种不同气隙定义当讨论磁场传感器:包气隙和水晶气隙。

包气隙

包气隙被定义为最近的边缘之间的距离传感器的住房和最近的脸/切平面的磁铁。

水晶气隙

晶体之间气隙被定义为距离传感器的传感元件住房和最近的磁铁的脸。

为了说明这种差异,图2显示了两个水晶气隙(4.0毫米)和包气隙(2.407毫米)的A1335角度传感器IC和磁铁side-shaft或离轴配置。

在本文中,术语气隙总是指的是包气隙,除非另有说明。传感元素0.36毫米低于包的顶面。传感元件中心之间的距离和最近的短包是1.593毫米的边缘。

角误差

角误差的实际位置之间的区别是磁铁,磁铁的位置的角传感器IC。这个测量是通过阅读角度传感器集成电路的输出,比较它与一个高分辨率的编码器(参见图3)。

精度误差

进一步在本文档中,角误差显示错位的函数。为此,有必要引入一个角误差定义为一个完整的旋转。“总结”的角度误差在一个完整的旋转被定义为角精度误差,并按照下列公式计算:

换句话说,它的振幅偏差从0到360之间的一个完美的直线度。

重要的是要区分角度传感器集成电路相关的错误和磁输入相关的错误。本文强调高级特性的A1335角度传感器集成电路可用于补偿磁输入相关的错误。

角度传感器IC相关错误而言,内在的非线性和参数的温度漂移进行了优化为每个快板角度传感器IC在快板的行尾测试操作(见数据表规格的参数)之前发货给客户。噪音可以优化性能
客户应用程序通过使用片上过滤(见演说设置在A1335编程手册)。

磁铁

为了比较分段或谐波线性化的性能选项,线性化技术进行相同的磁铁。磁体是钕N45偶极环磁铁可以从超级磁铁。图4和图5说明磁铁维度。

表1:从轴上(左)和轴(右)

磁铁的名字	制造商	内心的 直径	外 直径	高度	材料
R1	超级磁铁	7毫米	10毫米	3毫米	N45 镀镍的
R2	超级磁铁	5毫米	10毫米	3毫米	N45 镀镍的

平均气隙磁场和依赖

系统设计的第一步是选择一个合适的磁铁的应用气隙。通常气隙范围从2到4毫米。图5显示了气隙磁场的磁铁R1和R2。

默认情况下,许多快板角度传感器集成电路将数据表规格为300 G(30吨)。A1335的,还有一个磁自动定量特性,动态地调整内部收益来补偿动态气隙的变化。然而,应注意与磁设计,气隙变化不会导致字段太低(信噪比)不足或过高(饱和信号链块)。一般来说,磁场强度从300克到1000克的理想,与改善噪声性能更高的领域。

磁铁误差分析

使用磁铁R1和R2,固有的非线性的分析观察到的磁信号在测量角度。使用校准测量A1332,前任A1335,在理想的排列如图7和图8所示。

基于一个旋转角度传感器集成电路的输出在等距抽样角点的传输特性如图9所示。

分析上面的角误差在频域FFT,图10中的错误与谐波如下所示。

图11显示了一个类似的分析磁铁R2。

很明显从FFT的数据,大部分的固有误差在两个磁铁R1和R2 2^nd谐波贡献,而1^圣4^th3^{理查德·道金斯}和更高的谐波负责其余的错误。这个错误的根源是不匹配的振幅径向(B_r)和切向(B_t)组件。磁场矢量的阶段或角是由角度传感器测量集成电路,可以表示为两个正交组件B_r和B_t如图12所示。

理想情况下,这些组件在振幅都应该是相同的,正交的阶段。任何偏离这个理想在合成中引入了误差角测量。side-shaft遥感环形磁铁,径向和切向分量的不匹配是固有的磁铁设计和制造过程,可以随制造商,以及制造方法。圆柱形的磁铁,径向和切向不匹配可以通过添加偏心或引入角度传感器IC和磁铁之间的偏差。

这些不匹配导致一个角误差与条款概要文件多个谐波。因此,很明显,2只纠正^nd谐波误差项将不够用,特别是高精度性能是必需的。

分段线性化

A1335分段线性化是一个可编程的特性,允许调整设备的传输特性,应用磁场的变化可以输出相应的线性增量。

图15,上面说明了角的输出A1332有或没有分段线性化。

为了实现这一目标,必须创建一组初始的线性化系数。用户需要15个样品的角度:在每一个1/16区间的旋转范围从0到360度。设定的零基准点LIN_OFFSET eepm字段。这变成了零点误差点,因此不是代表
在系数表中。同样,360度的点是零基准相同的点,也不是代表系数表。测量角度的其余部分边界被放置在LIN_COEFF1……LIN_COEFF15 eepm字段。下面的说明描述了基本算法应用这些线性化系数。示例的实现这个方法可通过快速的客户评估软件工具。图15显示了角
输出和一个编码器引用,有或没有分段线性化应用。图16显示了减去参考编码器角度误差值,既与无分段线性化和应用。图17显示了一个放大看角错误概要文件与分段线性化应用。

实现分段线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关掉所有post-linearization算法处理;这包括ZeroOffset、Post Linerization旋转(RO)、短行程反演(IV),旋转模(RD)。Prelinearization调整可能留在,演说等设置,IIR滤波器(FI)和Prelinearization旋转(LR)。
   
   使分段线性化通过设置SL 1 (SL在CFG_2, 6, eepm 16, SRAM 20)。打开分段线性化绕过一些(某人,6,eepm 21, SRAM 25)。这允许测量没有否则应用线性化系数。
   
   找到所需的零基准,实现线性内插段将+ 22.5,+ 45.0等,从这个参考点。side-shaft,选择一个点错误是在峰值或谷是最优的。角度传感器IC阅读此时会进入LIN_OFFSET系数在下一步。
   
   将编码器增加的方向角的位置。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IC,或者在相反的方向旋转编码器标定步骤。(在这种情况下,post-linearization旋转钻头(RO)可能需要设置校准完成后)。更多细节请参见A1335编程参考。
   
   在编码器和读15角22.5度集的步骤。这个过程将产生15 LIN_COEFF系数。
   
   
2. 项目系数
   
   程序LIN_OFFSET与*(4096/360)相乘后,重新调节后用十六进制。
   
   项目每个LIN_COEFF与*(4096/360)相乘后,重新调节后用十六进制。
   
   
3. 使线性化
   
   设置eepm某人= 0,因为它不再需要绕过线性化函数(在步骤1中数据收集已经完成)。设置eepm有些SL = 1(注意:它应该已经从步骤1设置为1),使分段线性化。角度传感器集成电路的输出现在应该线性插入的每一部分和产生修正角度输出。

结果

图16给出了分段线性化表现形式的角度误差相比,一个好的编码器的角度参考。

尽管准确如图所示,图16不是一个非常深刻的描绘真实的角误差性能。它只显示了角点的误差传递函数postlinearization错误在哪里。如果同样的设备将被测量,与一个小得多的样本之间的角一步,结果将如图17所示。注意,“叶”逐次线性化点之间的误差。这些预计,因为在每一个环节,误差近似为一条直线,而实际上它是正弦。鉴于这种类型的正弦输入错误模式,图17是最佳的性能,可以实现使用16段分段方法。

实现的分段线性化的A1335只允许16段线性化。这种方法可以提高性能的增加部分的数量或通过区段长度变量,以便更好的部分可用于高曲率的地区。
然而,这两种增强导致更高的处理时间和复杂性。

谐波线性化

看到的部分,分析来自磁铁R1和R2的错误,很明显,这些错误在本质上是正弦的,也就是说,他们通常可以被组成适当的谐波相位和振幅。谐波线性化利用这个属性并应用线性化形式的11次谐波的相位和振幅的决心通过FFT(快速傅里叶变换)上执行收集的数据从一个磁铁的旋转角度传感器IC在客户的行尾。

有一个很大的灵活性构建到谐波线性化函数。个别谐波振幅和阶段的值存储在12位eepm领域的11次谐波。

谐波的数量需要应用于线性化可以由用户指定使用4比特HAR_MAX eepm字段。此设置确定有多少个人谐波组件(从1到11)用于计算谐波线性化。(副词字段是用来确定哪些谐波申请每个组件)。

2比特字段“副词”字段设置顺序对应用谐波组件之间的增量。所输入的值,n(0到3范围),表明许多谐波跳过从之前的组件当前组件。应用计数为1 + n。例如,第一个组件(0 x0c)最低(n = 0)是1^圣谐波和最大(n = 3)是4^th谐波。的影响是累积;当所有组件设置为n = 3, 44岁^th谐波可在十五组件(0)。作为一个例子,一块磁铁R1 side-shaft配置中使用以线性化传感器。

除了启用side-shaft应用程序,这种线性化方法形成的灵活性也非常雷竞技最新网址有用在消除静态偏差错误在客户的行尾。

实现谐波线性化的步骤

1. 收集数据
   
   关掉所有post-linearization算法处理;这包括ZeroOffset、Post Linerization旋转(RO)、短行程反演(IV),旋转模(RD)。Prelineariztion调整可能留在,演说等设置,IIR滤波器(FI)和pre-linearization旋转(LR)。
   
   将编码器增加的方向角的位置。如果角度传感器IC也不增加,然后设置LR钻头扭转角的方向传感器IC,或在相反的方向旋转编码器标定(在这种情况下,post-linearization旋转钻头(RO)可能需要设置)。更多细节请参见A1335编程参考。
   
   在编码器的步骤,这样生成的数据是2的幂。通常,32或64均匀间隔的数据点就足够了。
   
   
2. 项目系数
   
   对测量数据,然后执行一个FFT程序HARMONIC_AMPLITUDE HARMONIC_PHASE,副词和HAR_MAX领域首选的实现。示例实现这些特性可以从你的快板的代表。
   
   
3. 使线性化
   
   设置eepm HL = 1,使谐波线性化。传感器的输出现在应该产生修正角度输出。

结果

图19显示了谐波线性化性能的磁铁R1, HARMAX = 1到11(和所有人字段= 0)来衡量A1332。(和所有人字段= 0)。换句话说,这显示了性能作为谐波校正逐步应用于1^圣到11^th谐波。

图20显示相同的结果总结了pk-pk角误差(y轴)与谐波应用调整的数量。后的角误差急剧下降2^nd谐波修正预计以来大部分光谱误差内容驻留在2^nd谐波分析(见部分磁错误)。

为了进一步研究应用谐波线性化误差性能中,特别是当使用小角步骤,相同的设备质量被再次测试几次,细角(高分辨率),每次运行的步骤。数据显示没有潜在的更高的误差区域。post-linearization错误是子- 0.3度。

角度考虑延迟

分段和谐波线性化技术非常适合轴上和轴外磁场的应用程序。雷竞技最新网址而分段线性化将磁范围划分为较小的部分在一个分段线性化时尚、谐波线性化允许sinusoidal-based误差信号的补偿,这有助于消除偏差的误差谐波含量高以及side-shaft安排。增加的性能从谐波线性化的代价更高的计算时间。图22描述添加延迟角的测量,从每个添加额外的谐波,谐波线性化。例如,基于数据在图20中,很明显,达到< 1度,至少7次谐波校正是必要的。现在,看着添加延时处理时间与7次谐波在图20中,35μs。这意味着每个角度样本需要额外的35μs过程。相比之下,分段线性化22μs需要额外的计算时间。因此,对于这个特殊的磁铁,改进错误的表现
谐波线性化付出代价的一个额外的13μs延迟。对于许多应用程序,雷竞技最新网址额外的延迟将不是一个问题。作为一个例子,在典型的电子助力转向系统(EPS)手轮角度传感器集成电路,一个新的角度值是要求每1毫秒,也就是说,有足够多的时间来执行甚至11次谐波线性化。同时,很多系统将利用的演讲特点A1335为了减少noise-floor角度测量的采样过密。本质上这也将提供足够的时间来执行线性化功能没有添加延迟由于额外的平均允许更多的时间预算为线性化操作。

XYZ失调对线性化的影响角度传感器集成电路

在本节中,我们分析的性能角度传感器集成电路线性化了磁铁R1和R2,然后映射偏差错误在X, Y, Z轴,如图23所示。在磁铁R1和R2的案例中,我们使用一个初始起始位置在X(气隙)= 2.75毫米和4毫米分别与Y, Z = 0毫米,这样中间的角度传感器IC定位磁铁的高度。我们使用这个位置作为笛卡儿的起源,和地图偏差从这个参考表2显示性能。以下数据收集使用一个快板A1332角度传感器;A1335将类似或更好的性能。

表2:映射范围和线性化点磁铁R1和R2

角误差性能的磁铁R1和R2,气隙的函数(X轴)如图24所示。

一些观察可以通过研究情节如图24所示。从价值的角度误差的线性化点(用红色圆圈),很明显,角度传感器集成电路能够实现非常相似的post-linearization磁铁的性能。从有限的角度来看,两个磁铁可以用来达到相同的性能。但学习误差曲线的形状与气隙在图24中,很明显,磁铁R1(黑色痕迹)有一个陡峭的上升在误差角度传感器IC距线性化点偏差(红圈),与磁铁R2(蓝色跟踪)。

作为一个例子,增加之间的气隙角传感器IC和磁铁R1大约1毫米的结果相同的性能下降增加了相同的角度传感器IC和磁铁之间的气隙R2 4毫米。磁铁的性能更好的气隙R2可以归因于这样一个事实,这是一个厚环磁铁(5毫米厚)与R1(3毫米厚)。

以类似的方式,不一致的性能可以在横向和纵向分析(Y和Z)轴通过比较这两个充满磁铁R1和R2,等高线图分别为25和图26所示。这些情节都是由使用实验室测量的数据映射生成的性能每一点空间。这两个情节,原点(Y = 0, Z = 0)在线性化点位置代表性能(一样的红点在图24)。随着角度传感器IC偏差从这个起源,角度误差观测到的每一点是放置在一个颜色根据传说显示“本”。传说上的数字代表度峰值误差。作为一个例子,中间的白色区域的每个情节表示区域角误差性能仍低于±1度。同样的,棕色的地区在每个图表示地区角误差大于±7度。

看着两个轮廓图,很明显,同样的偏差在Y和Z,角度传感器集成电路+ R2磁铁组合结果是低角度误差增加,相比角度传感器集成电路+磁铁R1。作为一个例子,白色区域的角误差小于±1度是0.669毫米²磁铁R1虽然是1.10毫米²R2的磁铁。另外,很明显,白色区域是垂直“细长”R2的情况下,相比R1。这是有道理的考虑到环形磁铁R2的垂直高度(5毫米)大于环磁铁R1(3毫米)。这些轮廓显示在磁铁几何角误差性能的依赖。

结论

成功有许多因素参与角度传感应用。最小化角度误差对温度、位置偏差、气隙,是关键。这些变量与系统级几何设计选择像磁铁,磁铁安排(轴上和轴外),磁性材料,机械公差。因此,需要灵活性的角度传感器IC解决这些潜在的误差来源不增加复杂性和成本的系统级设计。即使是最好的磁角度传感器IC只是感官的磁场。

片上可编程,可定制的线性化,实现A1335角度传感器IC,允许系统设计师满足上述精度目标没有添加额外的系统设计的复杂性和成本。

A1335提供了两种线性化options-segmented和谐波。这两个选项进行了研究使用引用磁铁R1和R2。结果表明,尽管分段线性化达到更快的处理时间,它的能力是有限的修正正弦错误条件。在这方面,谐波线性化性能更好。此外,谐波线性化的灵活性,特别是能够改变使用的回调谐波数量,允许用户实现最优计算时间和错误性能之间的权衡。两个磁铁R1和R2,看到±20度角误差可以用线性化应用在±0.3度。

最后,使用映射技术,机械的影响偏差的线性化角度传感器集成电路进行了研究。看到一个高环磁铁转化为更好的垂直失调,宽容而厚环磁铁对气隙变化转化为更好的宽容。

无论角度传感系统级设计师所面临的挑战,结合适当的磁场设计和先进的芯片上的线性化的快板A1335可以帮助实现所需的性能,同时增加了复杂性和成本最小化。