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作者: Ali Husain Y. Sirohiwala, Wade Bussing 從工業(yè)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(yè)應用都需要監(jiān)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(tǒng)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鍵的目標。 這些變量反過來關乎系統(tǒng)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(tǒng)級設計的復雜性和成本。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有關的誤差：內在固有的非線性，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的輸出并與高分辨率編碼器相比較完成的。 對一次完整旋轉“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。 當在設計中使用磁體時，在整個旋轉范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(tǒng)中的測量誤差，并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占主導地位，那么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(shù)情況下，即使同軸磁性設計也會發(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有關的誤差，制造商在向客戶交付產品之前都會對非線性和參數(shù)化溫度漂移進行優(yōu)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(yōu)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制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(jù)角度傳感器IC周圍的目標磁體的單次旋轉數(shù)據(jù)完成。從這種旋轉讀取的角度數(shù)據(jù)用于產生線性化系數(shù)，然后被存儲進片上的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：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(shù)據(jù)執(zhí)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(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，在應用了線性化技術后，±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(chuàng)建初始的線性化系數(shù)值。用戶可以在從0到360°的完整旋轉范圍內以1/16的間隔獲得15個角度樣本。然后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是在應用分段式線性化技術后放大查看的角度誤差情況。
圖2：使用分段式線性化技術前后的角度輸出。
圖3：使用分段式線性化技術前后的角度誤差。
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復雜性。 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里葉變換(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(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用的諧波數(shù)量可以由用戶指定。除了支持側軸應用外，內置于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(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行正弦式補償，這將有助于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(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)量的關系。 XYZ錯位效應 為了評估線性化后的角度傳感器IC的機械性錯位效應，可以執(zhí)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(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：(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)設計師在不增加系統(tǒng)設計的額外復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到最佳平衡。結果是在應用線性化技術后，±20°的角度誤差可以減小到±0.3°以內。 不管系統(tǒng)級設計師面臨的是什么樣的角度檢測挑戰(zhàn)，合適的磁性設計和先進的片上線性化功能組合都有助于達到理想的性能，同時最大程度地減小由此增加的復雜性和成本。 |
