這些變量反過(guò)來(lái)關(guān)乎系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)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(jí)設(shè)計(jì)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(guò)它檢測(cè)的磁場(chǎng)性能。
磁性角度測(cè)量系統(tǒng)有兩個(gè)主要的誤差來(lái)源:
●與傳感器IC有關(guān)的誤差:內(nèi)在固有的非線(xiàn)性,參數(shù)化溫度漂移和噪聲。
●與磁性輸入有關(guān)的誤差:場(chǎng)強(qiáng)變化和場(chǎng)強(qiáng)的非線(xiàn)性。
角度誤差是指磁體的實(shí)際位置與角度傳感器IC測(cè)量得到的磁體位置之偏差。這種測(cè)量是通過(guò)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(duì)一次完整旋轉(zhuǎn)“合計(jì)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(jì)算的:
角度精度誤差=(Emax–Emin)/2
換句話(huà)說(shuō),它是與理想直線(xiàn)之間的偏差幅度,范圍在0°和360°之間。
當(dāng)在設(shè)計(jì)中使用磁體時(shí),在整個(gè)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(cè)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(jì)時(shí)這點(diǎn)將變得特別重要,如圖1所示。
如果來(lái)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(guò)最精確校準(zhǔn)的角度傳感器IC也會(huì)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(jì)也會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的錯(cuò)位問(wèn)題,這此問(wèn)題通常發(fā)生在生產(chǎn)線(xiàn)中的用戶(hù)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(diǎn)其代價(jià)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(hù)交付產(chǎn)品之前都會(huì)對(duì)非線(xiàn)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(duì)客戶(hù)應(yīng)用利用片上濾波功能進(jìn)行優(yōu)化。
先進(jìn)的線(xiàn)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(guò)使用先進(jìn)的線(xiàn)性化技術(shù)在客戶(hù)的末端制造位置補(bǔ)償這些誤差來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)線(xiàn)性化降低至±0.3°:大約改進(jìn)了65倍。
這種線(xiàn)性化可以根據(jù)角度傳感器IC周?chē)哪繕?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(xiàn)性化系數(shù),然后被存儲(chǔ)進(jìn)片上的EEPROM,最終為這個(gè)磁性系統(tǒng)優(yōu)化這個(gè)特定的角度傳感器IC。
在A(yíng)1332角度傳感器IC中用了兩種不同的線(xiàn)性化技術(shù):分段式線(xiàn)性化和諧波線(xiàn)性化。
這兩種技術(shù)都可以通過(guò)使用Allegro公司提供的軟件計(jì)算系數(shù)并編程片載EEPROM來(lái)實(shí)現(xiàn)。
●分段式線(xiàn)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(chǎng)矢量角度中的線(xiàn)性變化可以被角度傳感器IC輸出為對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性角度增量。這種線(xiàn)性化是對(duì)從角度傳感器IC周?chē)拇朋w一次旋轉(zhuǎn)收集到的數(shù)據(jù)執(zhí)行的。
對(duì)兩種技術(shù)的比較測(cè)試表明,雖然分段式線(xiàn)性化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更短的處理時(shí)間,但在校正正弦誤差項(xiàng)方面的能力很有限。在這方面,諧波線(xiàn)性化技術(shù)能夠做的更好。另外,諧波線(xiàn)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(hù)在運(yùn)算時(shí)間和誤差性能之間取得最佳平衡。測(cè)試表明,在應(yīng)用了線(xiàn)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(xiàn)性化
圖2顯示了用分段線(xiàn)性化和不用分段線(xiàn)性化技術(shù)時(shí)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(xiàn)性化系數(shù)值。用戶(hù)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(gè)角度樣本。然后應(yīng)用分段式線(xiàn)性化算法。圖3顯示了在使用分段線(xiàn)性化技術(shù)前后通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)性化技術(shù)前后的角度輸出。
圖3:使用分段式線(xiàn)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(xiàn)性化和(右)諧波線(xiàn)性化后的角度誤差。
在A(yíng)1332中實(shí)現(xiàn)的分段式線(xiàn)性化技術(shù)只允許16個(gè)段的線(xiàn)性化。通過(guò)增加段數(shù)或使段的長(zhǎng)度可變能進(jìn)一步提高這種方法的性能,因此,針對(duì)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(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的處理時(shí)間和更高的復(fù)雜性。
諧波線(xiàn)性化
諧波線(xiàn)性化技術(shù)用15個(gè)諧波的形式進(jìn)行線(xiàn)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(duì)象是在客戶(hù)末端生產(chǎn)線(xiàn)的角度傳感器IC周?chē)拇朋w一次旋轉(zhuǎn)收集到的數(shù)據(jù)。
諧波線(xiàn)性化功能具有很大的靈活性。15個(gè)諧波中的每個(gè)諧波的幅度和相位值都存儲(chǔ)在12位的EEPROM域中,在線(xiàn)性化過(guò)程中需要應(yīng)用的諧波數(shù)量可以由用戶(hù)指定。除了支持側(cè)軸應(yīng)用外,內(nèi)置于這種線(xiàn)性化方法中的靈活性在去除客戶(hù)末端生產(chǎn)線(xiàn)中的靜態(tài)錯(cuò)位誤差時(shí)也非常有用。
角度延遲考慮
分段式和諧波線(xiàn)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(xiàn)性化將磁性范圍劃分為更小的部分,并對(duì)這些更小的部分以分段的方式線(xiàn)性化,但諧波線(xiàn)性化允許對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行正弦式補(bǔ)償,這將有助于消除錯(cuò)位和側(cè)軸布置中的高諧波誤差內(nèi)容。來(lái)自諧波線(xiàn)性化的增強(qiáng)性能需要付出更多運(yùn)算時(shí)間的代價(jià):被稱(chēng)為“延時(shí)”的一種情形。
對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō),額外延時(shí)不是個(gè)問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō),在典型的電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)手輪角度傳感器IC中,每隔1ms要求一個(gè)新的角度值,這意味著有足夠的時(shí)間執(zhí)行甚至15個(gè)諧波的線(xiàn)性化,如圖5。另外,許多應(yīng)用會(huì)使用傳感器的ORATE(可編程輸出速率)功能,以便通過(guò)超采樣來(lái)減小角度測(cè)量的本底噪聲。這樣也能提供足夠的時(shí)間來(lái)執(zhí)行線(xiàn)性化功能,并且不增加延時(shí),因?yàn)轭~外的平均允許有更多的時(shí)間用于線(xiàn)性化操作。
圖5:線(xiàn)性化后的角度誤差(左)和增加的角度延時(shí)(右)與所用諧波數(shù)量的關(guān)系。
為了評(píng)估線(xiàn)性化后的角度傳感器IC的機(jī)械性錯(cuò)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(duì)磁體尺寸的依賴(lài)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(cuò)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(cuò)位效應(yīng):(左)X、Y和Z映射軸的定義;(右)當(dāng)空氣間隙=4mm時(shí)的錯(cuò)位性能(堅(jiān)軸和橫軸)。
片上可編程且可定制的線(xiàn)性化功能,就像A1332角度傳感器IC中實(shí)現(xiàn)的那樣,允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在不增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額外復(fù)雜性和成本的條件下,滿(mǎn)足前面所述的精度目標(biāo)。雖然分段式線(xiàn)性化可以取得更快的處理時(shí)間,但受限于校正正弦誤差項(xiàng)的能力。諧波線(xiàn)性化在這方面可以做的更好。另外,諧波線(xiàn)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(hù)在運(yùn)算時(shí)間和誤差性能之間達(dá)到最佳平衡。結(jié)果是在應(yīng)用線(xiàn)性化技術(shù)后,±20°的角度誤差可以減小到±0.3°以?xún)?nèi)。
不管系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)師面臨的是什么樣的角度檢測(cè)挑戰(zhàn),合適的磁性設(shè)計(jì)和先進(jìn)的片上線(xiàn)性化功能組合都有助于達(dá)到理想的性能,同時(shí)最大程度地減小由此增加的復(fù)雜性和成本。來(lái)源:電子工程專(zhuān)輯。
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