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作者: Ali Husain Y. Sirohiwala, Wade Bussing 從工業(yè)自動化和機(jī)器人到電子動力轉(zhuǎn)向和電機(jī)位置檢測等眾多行業(yè)應(yīng)用都需要監(jiān)視同軸或偏軸布置的旋轉(zhuǎn)軸的角度。針對這種應(yīng)用的任何成功的角度測量系統(tǒng)設(shè)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、精度和溫度范圍等等。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(guān)鍵的目標(biāo)。 這些變量反過來關(guān)乎系統(tǒng)級的設(shè)計選擇，比如磁體尺寸、磁體布置(同軸或偏軸)、磁體材料和機(jī)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(yīng)這些潛在的誤差源，不致增加系統(tǒng)級設(shè)計的復(fù)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(tǒng)有兩個主要的誤差來源： ●與傳感器IC有關(guān)的誤差：內(nèi)在固有的非線性，參數(shù)化溫度漂移和噪聲。 ●與磁性輸入有關(guān)的誤差：場強(qiáng)變化和場強(qiáng)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的輸出并與高分辨率編碼器相比較完成的。 對一次完整旋轉(zhuǎn)“合計后的”角度誤差被定義為角度精度誤差，它是根據(jù)下列公式進(jìn)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，范圍在0°和360°之間。 當(dāng)在設(shè)計中使用磁體時，在整個旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)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(dǎo)致系統(tǒng)中的測量誤差，并且在考慮具有較高內(nèi)在磁性誤差的側(cè)軸或偏軸設(shè)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(xiàn)值占主導(dǎo)地位，那么即使經(jīng)過最精確校準(zhǔn)的角度傳感器IC也會產(chǎn)生不精確的結(jié)果。在大多數(shù)情況下，即使同軸磁性設(shè)計也會發(fā)生相對較大的錯位問題，這此問題通常發(fā)生在生產(chǎn)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：用于角度傳感器IC的偏軸(左)和同軸(右)配置。 至于與角度傳感器IC有關(guān)的誤差，制造商在向客戶交付產(chǎn)品之前都會對非線性和參數(shù)化溫度漂移進(jìn)行優(yōu)化，而噪聲性能則可以針對客戶應(yīng)用利用片上濾波功能進(jìn)行優(yōu)化。 先進(jìn)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(jìn)的線性化技術(shù)在客戶的末端制造位置補(bǔ)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(guān)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(jìn)了65倍。 這種線性化可以根據(jù)角度傳感器IC周圍的目標(biāo)磁體的單次旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)完成。從這種旋轉(zhuǎn)讀取的角度數(shù)據(jù)用于產(chǎn)生線性化系數(shù)，然后被存儲進(jìn)片上的EEPROM，最終為這個磁性系統(tǒng)優(yōu)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(shù)：分段式線性化和諧波線性化。 這兩種技術(shù)都可以通過使用Allegro公司提供的軟件計算系數(shù)并編程片載EEPROM來實現(xiàn)。 ●分段式線性化是一種可編程的功能，允許調(diào)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(yīng)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(zhuǎn)收集到的數(shù)據(jù)執(zhí)行的。 對兩種技術(shù)的比較測試表明，雖然分段式線性化技術(shù)可以實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(yīng)用了線性化技術(shù)后，±20°的角度誤差可以減小到±0.3°之內(nèi)。 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(shù)時的角度傳感器的角度輸出。為了獲得這些結(jié)果，必須創(chuàng)建初始的線性化系數(shù)值。用戶可以在從0到360°的完整旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)以1/16的間隔獲得15個角度樣本。然后應(yīng)用分段式線性化算法。圖3顯示了在使用分段線性化技術(shù)前后通過減去參考編碼器值后獲得的角度誤差，而圖4是在應(yīng)用分段式線性化技術(shù)后放大查看的角度誤差情況。
圖2：使用分段式線性化技術(shù)前后的角度輸出。
圖3：使用分段式線性化技術(shù)前后的角度誤差。
圖4：使用更高采樣分辨率(左)分段式線性化和(右)諧波線性化后的角度誤差。 在A1332中實現(xiàn)的分段式線性化技術(shù)只允許16個段的線性化。通過增加段數(shù)或使段的長度可變能進(jìn)一步提高這種方法的性能，因此，針對具有較高曲率的區(qū)域可以使用更精細(xì)的分段。然而，這些增強(qiáng)措施都會導(dǎo)致更長的處理時間和更高的復(fù)雜性。 諧波線性化 諧波線性化技術(shù)用15個諧波的形式進(jìn)行線性化，這些諧波的相位和幅度用快速傅里葉變換(FFT)的方法確定，而FFT的對象是在客戶末端生產(chǎn)線的角度傳感器IC周圍的磁體一次旋轉(zhuǎn)收集到的數(shù)據(jù)。 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(yīng)用的諧波數(shù)量可以由用戶指定。除了支持側(cè)軸應(yīng)用外，內(nèi)置于這種線性化方法中的靈活性在去除客戶末端生產(chǎn)線中的靜態(tài)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(shù)都非常適合同軸和偏軸磁性應(yīng)用。雖然分段式線性化將磁性范圍劃分為更小的部分，并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(jìn)行正弦式補(bǔ)償，這將有助于消除錯位和側(cè)軸布置中的高諧波誤差內(nèi)容。來自諧波線性化的增強(qiáng)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(yīng)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(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)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(zhí)行甚至15個諧波的線性化，如圖5。另外，許多應(yīng)用會使用傳感器的ORATE(可編程輸出速率)功能，以便通過超采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(zhí)行線性化功能，并且不增加延時，因為額外的平均允許有更多的時間用于線性化操作。
圖5：線性化后的角度誤差(左)和增加的角度延時(右)與所用諧波數(shù)量的關(guān)系。 XYZ錯位效應(yīng) 為了評估線性化后的角度傳感器IC的機(jī)械性錯位效應(yīng)，可以執(zhí)行如圖6所示的映射分析。結(jié)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(huán)形磁體可以更好的容忍垂直性錯位，而更厚的環(huán)形磁體可以更好的容忍空氣間隙的變化。
圖6：錯位效應(yīng)：(左)X、Y和Z映射軸的定義；(右)當(dāng)空氣間隙=4mm時的錯位性能(堅軸和橫軸)。 本文小結(jié) 片上可編程且可定制的線性化功能，就像A1332角度傳感器IC中實現(xiàn)的那樣，允許系統(tǒng)設(shè)計師在不增加系統(tǒng)設(shè)計的額外復(fù)雜性和成本的條件下，滿足前面所述的精度目標(biāo)。雖然分段式線性化可以取得更快的處理時間，但受限于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(shù)量的能力，允許用戶在運算時間和誤差性能之間達(dá)到最佳平衡。結(jié)果是在應(yīng)用線性化技術(shù)后，±20°的角度誤差可以減小到±0.3°以內(nèi)。 不管系統(tǒng)級設(shè)計師面臨的是什么樣的角度檢測挑戰(zhàn)，合適的磁性設(shè)計和先進(jìn)的片上線性化功能組合都有助于達(dá)到理想的性能，同時最大程度地減小由此增加的復(fù)雜性和成本。 |
