角度傳感器IC中的片載線性化功能

　　從工業自動化和機器人到電子動力轉向和電機位置檢測等眾多行業應用都需要監視同軸或偏軸布置的旋轉軸的角度。針對這種應用的任何成功的角度測量系統設計都需要滿足特定用戶的要求。這些要求包括布置（偏軸或同軸）、空氣間隙、精度和溫度範圍等等。尤其是儘量減小隨溫度變化的角度誤差、錯位和空氣間隙是其中最關鍵的目標。

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　　這些變量反過來關乎系統級的設計選擇，比如磁體尺寸、磁體布置（同軸或偏軸）、磁體材料和機械公差。因此要求角度傳感器IC具有一定的靈活性，能夠適應這些潛在的誤差源，不致增加系統級設計的複雜性和成本。即使最好的磁性角度傳感器IC也好不過它檢測的磁場性能。

　　磁性角度測量系統有兩個主要的誤差來源：

　　●與傳感器IC有關的誤差：內在固有的非線性，參數化溫度漂移和噪聲。

　　●與磁性輸入有關的誤差：場強變化和場強的非線性。

　　角度誤差是指磁體的實際位置與角度傳感器IC測量得到的磁體位置之偏差。這種測量是通過讀取角度傳感器IC的輸出並與高解析度編碼器相比較完成的。

　　對一次完整旋轉「合計後的」角度誤差被定義為角度精度誤差，它是根據下列公式進行計算的：

　　角度精度誤差=（Emax–Emin）/2

　　換句話說，它是與理想直線之間的偏差幅度，範圍在0°和360°之間。

　　當在設計中使用磁體時，在整個旋轉範圍內的磁性輸入可能不是均勻的：它具有固有誤差。這些磁性輸入誤差將導致系統中的測量誤差，並且在考慮具有較高內在磁性誤差的側軸或偏軸設計時這點將變得特別重要，如圖1所示。

　　如果來自磁性輸入的誤差貢獻值佔主導地位，那麼即使經過最精確校準的角度傳感器IC也會產生不精確的結果。在大多數情況下，即使同軸磁性設計也會發生相對較大的錯位問題，這此問題通常發生在生產線中的用戶模塊裝配期間。這些磁性誤差源是不可避免的，而且減小這些誤差通常不可能做到，就是即使能夠減小一點其代價也非常高。

　　

　　圖1：用於角度傳感器IC的偏軸（左）和同軸（右）配置。

　　至於與角度傳感器IC有關的誤差，製造商在向客戶交付產品之前都會對非線性和參數化溫度漂移進行優化，而噪聲性能則可以針對客戶應用利用片上濾波功能進行優化。

　　先進的線性化

　　本文介紹了一種角度傳感器IC（Allegro公司的A1332）。這款傳感器通過使用先進的線性化技術在客戶的末端製造位置補償這些誤差來解決這個問題。具體地講，它展示了與磁性輸入相關的±20°以上的誤差如何能夠通過線性化降低至±0.3°：大約改進了65倍。

　　這種線性化可以根據角度傳感器IC周圍的目標磁體的單次旋轉數據完成。從這種旋轉讀取的角度數據用於產生線性化係數，然後被存儲進片上的EEPROM，最終為這個磁性系統優化這個特定的角度傳感器IC。

　　在A1332角度傳感器IC中用了兩種不同的線性化技術：分段式線性化和諧波線性化。

　　這兩種技術都可以通過使用Allegro公司提供的軟體計算係數並編程片載EEPROM來實現。

　　●分段式線性化是一種可編程的功能，允許調整角度傳感器IC的傳輸特性，以便在施加的磁場矢量角度中的線性變化可以被角度傳感器IC輸出為對應的線性角度增量。這種線性化是對從角度傳感器IC周圍的磁體一次旋轉收集到的數據執行的。

　　對兩種技術的比較測試表明，雖然分段式線性化技術可以實現更短的處理時間，但在校正正弦誤差項方面的能力很有限。在這方面，諧波線性化技術能夠做的更好。另外，諧波線性化方法的靈活性——特別是改變所用校正諧波數量的能力——允許用戶在運算時間和誤差性能之間取得最佳平衡。測試表明，在應用了線性化技術後，±20°的角度誤差可以減小到±0.3°之內。

　　分段式線性化

　　圖2顯示了用分段線性化和不用分段線性化技術時的角度傳感器的角度輸出。為了獲得這些結果，必須創建初始的線性化係數值。用戶可以在從0到360°的完整旋轉範圍內以1/16的間隔獲得15個角度樣本。然後應用分段式線性化算法。圖3顯示了在使用分段線性化技術前後通過減去參考編碼器值後獲得的角度誤差，而圖4是在應用分段式線性化技術後放大查看的角度誤差情況。

　　

　　圖2：使用分段式線性化技術前後的角度輸出。

　　

　　圖3：使用分段式線性化技術前後的角度誤差。

　　

　　圖4：使用更高採樣解析度（左）分段式線性化和（右）諧波線性化後的角度誤差。

　　在A1332中實現的分段式線性化技術只允許16個段的線性化。通過增加段數或使段的長度可變能進一步提高這種方法的性能，因此，針對具有較高曲率的區域可以使用更精細的分段。然而，這些增強措施都會導致更長的處理時間和更高的複雜性。

　　諧波線性化

　　諧波線性化技術用15個諧波的形式進行線性化，這些諧波的相位和幅度用快速傅立葉變換（FFT）的方法確定，而FFT的對象是在客戶末端生產線的角度傳感器IC周圍的磁體一次旋轉收集到的數據。

　　諧波線性化功能具有很大的靈活性。15個諧波中的每個諧波的幅度和相位值都存儲在12位的EEPROM域中，在線性化過程中需要應用的諧波數量可以由用戶指定。除了支持側軸應用外，內置於這種線性化方法中的靈活性在去除客戶末端生產線中的靜態錯位誤差時也非常有用。

　　角度延遲考慮

　　分段式和諧波線性化技術都非常適合同軸和偏軸磁性應用。雖然分段式線性化將磁性範圍劃分為更小的部分，並對這些更小的部分以分段的方式線性化，但諧波線性化允許對誤差信號進行正弦式補償，這將有助於消除錯位和側軸布置中的高諧波誤差內容。來自諧波線性化的增強性能需要付出更多運算時間的代價：被稱為「延時」的一種情形。

　　對許多應用來說，額外延時不是個問題。舉例來說，在典型的電子動力轉向（EPS）系統手輪角度傳感器IC中，每隔1ms要求一個新的角度值，這意味著有足夠的時間執行甚至15個諧波的線性化，如圖5。另外，許多應用會使用傳感器的ORATE（可編程輸出速率）功能，以便通過超採樣來減小角度測量的本底噪聲。這樣也能提供足夠的時間來執行線性化功能，並且不增加延時，因為額外的平均允許有更多的時間用於線性化操作。

　　

　　圖5：線性化後的角度誤差（左）和增加的角度延時（右）與所用諧波數量的關係。

　　XYZ錯位效應

　　為了評估線性化後的角度傳感器IC的機械性錯位效應，可以執行如圖6所示的映射分析。結果顯示了角度誤差性能對磁體尺寸的依賴性。從圖中可以看到，更高的環形磁體可以更好的容忍垂直性錯位，而更厚的環形磁體可以更好的容忍空氣間隙的變化。

　　

　　圖6：錯位效應：（左）X、Y和Z映射軸的定義；（右）當空氣間隙=4mm時的錯位性能（堅軸和橫軸）。

　　本文小結

　　片上可編程且可定製的線性化功能，就像A1332角度傳感器IC中實現的那樣，允許系統設計師在不增加系統設計的額外複雜性和成本的條件下，滿足前面所述的精度目標。雖然分段式線性化可以取得更快的處理時間，但受限於校正正弦誤差項的能力。諧波線性化在這方面可以做的更好。另外，諧波線性化方法中的靈活性，特別是改變所用校正諧波數量的能力，允許用戶在運算時間和誤差性能之間達到最佳平衡。結果是在應用線性化技術後，±20°的角度誤差可以減小到±0.3°以內。

　　不管系統級設計師面臨的是什麼樣的角度檢測挑戰，合適的磁性設計和先進的片上線性化功能組合都有助於達到理想的性能，同時最大程度地減小由此增加的複雜性和成本。