角度傳感器IC中的片載線性化功能
發布時間:2016-06-17 責任編輯:wenwei
【導讀】從(cong)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)到(dao)電(dian)子(zi)動(dong)力(li)轉(zhuan)向(xiang)和(he)電(dian)機(ji)位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)等(deng)眾(zhong)多(duo)行(xing)業(ye)應(ying)用(yong)都(dou)需(xu)要(yao)監(jian)視(shi)同(tong)軸(zhou)或(huo)偏(pian)軸(zhou)布(bu)置(zhi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)軸(zhou)的(de)角(jiao)度(du)。針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)的(de)任(ren)何(he)成(cheng)功(gong)的(de)角(jiao)度(du)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)都(dou)需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)用(yong)戶(hu)的(de)要(yao)求(qiu)。這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)包(bao)括(kuo)布(bu)置(zhi)(偏軸或同軸)、空氣間隙、精度和溫度範圍等等。尤其是盡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。
這些變量反過來關乎係統級的設計選擇,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,不致增加係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。
磁性角度測量係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的輸出並與高分辨率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(ta)具(ju)有(you)固(gu)有(you)誤(wu)差(cha)。這(zhe)些(xie)磁(ci)性(xing)輸(shu)入(ru)誤(wu)差(cha)將(jiang)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha),並(bing)且(qie)在(zai)考(kao)慮(lv)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)內(nei)在(zai)磁(ci)性(xing)誤(wu)差(cha)的(de)側(ce)軸(zhou)或(huo)偏(pian)軸(zhou)設(she)計(ji)時(shi)這(zhe)點(dian)將(jiang)變(bian)得(de)特(te)別(bie)重(zhong)要(yao),如(ru)圖(tu)1所示。
如果來自磁性輸入的誤差貢獻值占主導地位,那麼即使經過最精確校準的角度傳感器IC也ye會hui產chan生sheng不bu精jing確que的de結jie果guo。在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia,即ji使shi同tong軸zhou磁ci性xing設she計ji也ye會hui發fa生sheng相xiang對dui較jiao大da的de錯cuo位wei問wen題ti,這zhe此ci問wen題ti通tong常chang發fa生sheng在zai生sheng產chan線xian中zhong的de用yong戶hu模mo塊kuai裝zhuang配pei期qi間jian。這zhe些xie磁ci性xing誤wu差cha源yuan是shi不bu可ke避bi免mian的de,而er且qie減jian小xiao這zhe些xie誤wu差cha通tong常chang不bu可ke能neng做zuo到dao,就jiu是shi即ji使shi能neng夠gou減jian小xiao一yi點dian其qi代dai價jia也ye非fei常chang高gao。

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ICyouguandewucha,zhizaoshangzaixiangkehujiaofuchanpinzhiqiandouhuiduifeixianxinghecanshuhuawendupiaoyijinxingyouhua,erzaoshengxingnengzekeyizhenduikehuyingyongliyongpianshanglvbogongnengjinxingyouhua。
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,最終為這個磁性係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公司提供的軟件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dui兩liang種zhong技ji術shu的de比bi較jiao測ce試shi表biao明ming,雖sui然ran分fen段duan式shi線xian性xing化hua技ji術shu可ke以yi實shi現xian更geng短duan的de處chu理li時shi間jian,但dan在zai校xiao正zheng正zheng弦xian誤wu差cha項xiang方fang麵mian的de能neng力li很hen有you限xian。在zai這zhe方fang麵mian,諧xie波bo線xian性xing化hua技ji術shu能neng夠gou做zuo的de更geng好hao。另ling外wai,諧xie波bo線xian性xing化hua方fang法fa的de靈ling活huo性xing——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(xian)示(shi)了(le)用(yong)分(fen)段(duan)線(xian)性(xing)化(hua)和(he)不(bu)用(yong)分(fen)段(duan)線(xian)性(xing)化(hua)技(ji)術(shu)時(shi)的(de)角(jiao)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)角(jiao)度(du)輸(shu)出(chu)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)這(zhe)些(xie)結(jie)果(guo),必(bi)須(xu)創(chuang)建(jian)初(chu)始(shi)的(de)線(xian)性(xing)化(hua)係(xi)數(shu)值(zhi)。用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)從(cong)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:使用更高采樣分辨率(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隻允許16個ge段duan的de線xian性xing化hua。通tong過guo增zeng加jia段duan數shu或huo使shi段duan的de長chang度du可ke變bian能neng進jin一yi步bu提ti高gao這zhe種zhong方fang法fa的de性xing能neng,因yin此ci,針zhen對dui具ju有you較jiao高gao曲qu率lv的de區qu域yu可ke以yi使shi用yong更geng精jing細xi的de分fen段duan。然ran而er,這zhe些xie增zeng強qiang措cuo施shi都dou會hui導dao致zhi更geng長chang的de處chu理li時shi間jian和he更geng高gao的de複fu雜za性xing。
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裏葉變換(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yu中zhong,在zai線xian性xing化hua過guo程cheng中zhong需xu要yao應ying用yong的de諧xie波bo數shu量liang可ke以yi由you用yong戶hu指zhi定ding。除chu了le支zhi持chi側ce軸zhou應ying用yong外wai,內nei置zhi於yu這zhe種zhong線xian性xing化hua方fang法fa中zhong的de靈ling活huo性xing在zai去qu除chu客ke戶hu末mo端duan生sheng產chan線xian中zhong的de靜jing態tai錯cuo位wei誤wu差cha時shi也ye非fei常chang有you用yong。
角度延遲考慮
分(fen)段(duan)式(shi)和(he)諧(xie)波(bo)線(xian)性(xing)化(hua)技(ji)術(shu)都(dou)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)同(tong)軸(zhou)和(he)偏(pian)軸(zhou)磁(ci)性(xing)應(ying)用(yong)。雖(sui)然(ran)分(fen)段(duan)式(shi)線(xian)性(xing)化(hua)將(jiang)磁(ci)性(xing)範(fan)圍(wei)劃(hua)分(fen)為(wei)更(geng)小(xiao)的(de)部(bu)分(fen),並(bing)對(dui)這(zhe)些(xie)更(geng)小(xiao)的(de)部(bu)分(fen)以(yi)分(fen)段(duan)的(de)方(fang)式(shi)線(xian)性(xing)化(hua),但(dan)諧(xie)波(bo)線(xian)性(xing)化(hua)允(yun)許(xu)對(dui)誤(wu)差(cha)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)正(zheng)弦(xian)式(shi)補(bu)償(chang),這(zhe)將(jiang)有(you)助(zhu)於(yu)消(xiao)除(chu)錯(cuo)位(wei)和(he)側(ce)軸(zhou)布(bu)置(zhi)中(zhong)的(de)高(gao)諧(xie)波(bo)誤(wu)差(cha)內(nei)容(rong)。來(lai)自(zi)諧(xie)波(bo)線(xian)性(xing)化(hua)的(de)增(zeng)強(qiang)性(xing)能(neng)需(xu)要(yao)付(fu)出(chu)更(geng)多(duo)運(yun)算(suan)時(shi)間(jian)的(de)代(dai)價(jia):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)係統手輪角度傳感器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(gong)能(neng),以(yi)便(bian)通(tong)過(guo)超(chao)采(cai)樣(yang)來(lai)減(jian)小(xiao)角(jiao)度(du)測(ce)量(liang)的(de)本(ben)底(di)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)樣(yang)也(ye)能(neng)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)時(shi)間(jian)來(lai)執(zhi)行(xing)線(xian)性(xing)化(hua)功(gong)能(neng),並(bing)且(qie)不(bu)增(zeng)加(jia)延(yan)時(shi),因(yin)為(wei)額(e)外(wai)的(de)平(ping)均(jun)允(yun)許(xu)有(you)更(geng)多(duo)的(de)時(shi)間(jian)用(yong)於(yu)線(xian)性(xing)化(hua)操(cao)作(zuo)。

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6suoshideyingshefenxi。jieguoxianshilejiaoduwuchaxingnengduicitichicundeyilaixing。congtuzhongkeyikandao,genggaodehuanxingcitikeyigenghaoderongrenchuizhixingcuowei,ergenghoudehuanxingcitikeyigenghaoderongrenkongqijianxidebianhua。

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(zhong)實(shi)現(xian)的(de)那(na)樣(yang),允(yun)許(xu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)在(zai)不(bu)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)額(e)外(wai)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)成(cheng)本(ben)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia),滿(man)足(zu)前(qian)麵(mian)所(suo)述(shu)的(de)精(jing)度(du)目(mu)標(biao)。雖(sui)然(ran)分(fen)段(duan)式(shi)線(xian)性(xing)化(hua)可(ke)以(yi)取(qu)得(de)更(geng)快(kuai)的(de)處(chu)理(li)時(shi)間(jian),但(dan)受(shou)限(xian)於(yu)校(xiao)正(zheng)正(zheng)弦(xian)誤(wu)差(cha)項(xiang)的(de)能(neng)力(li)。諧(xie)波(bo)線(xian)性(xing)化(hua)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)做(zuo)的(de)更(geng)好(hao)。另(ling)外(wai),諧(xie)波(bo)線(xian)性(xing)化(hua)方(fang)法(fa)中(zhong)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing),特(te)別(bie)是(shi)改(gai)變(bian)所(suo)用(yong)校(xiao)正(zheng)諧(xie)波(bo)數(shu)量(liang)的(de)能(neng)力(li),允(yun)許(xu)用(yong)戶(hu)在(zai)運(yun)算(suan)時(shi)間(jian)和(he)誤(wu)差(cha)性(xing)能(neng)之(zhi)間(jian)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)平(ping)衡(heng)。結(jie)果(guo)是(shi)在(zai)應(ying)用(yong)線(xian)性(xing)化(hua)技(ji)術(shu)後(hou),±20°的角度誤差可以減小到±0.3°以內。
不bu管guan係xi統tong級ji設she計ji師shi麵mian臨lin的de是shi什shen麼me樣yang的de角jiao度du檢jian測ce挑tiao戰zhan,合he適shi的de磁ci性xing設she計ji和he先xian進jin的de片pian上shang線xian性xing化hua功gong能neng組zu合he都dou有you助zhu於yu達da到dao理li想xiang的de性xing能neng,同tong時shi最zui大da程cheng度du地di減jian小xiao由you此ci增zeng加jia的de複fu雜za性xing和he成cheng本ben。來lai源yuan:電子工程專輯。
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