【導(dǎo)讀】在眾多的機(jī)械系統(tǒng)中，檢測(cè)位置/速度能力已經(jīng)成為系統(tǒng)控制和監(jiān)控的一項(xiàng)基本要求。在低速位置測(cè)量應(yīng)用中，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常會(huì)使用電阻電位器。而在高速應(yīng)用中，如伺服電機(jī)則常使用光電編碼器。
其中，電位器價(jià)格優(yōu)惠，但作為基于移動(dòng)觸點(diǎn)元件，它們的缺點(diǎn)也顯而易見：易遭受機(jī)械接觸磨損、易受外部環(huán)境因素?fù)p壞（包括濕氣和污垢侵入）。光電編碼器精度高，但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此價(jià)位也相當(dāng)高。面對(duì)這樣的窘境，其實(shí)工程師還可以選擇非接觸式旋轉(zhuǎn)磁性角度傳感器（MagAlpha系列產(chǎn)品）來解決這一難題。
MagAlpha 系列傳感器優(yōu)勢(shì)明顯：
● 8-14b位角度輸出，同時(shí)具備 SPI/ABZ/PWM/UVW 多種輸出接口可選
● 非接觸式磁性傳感可靠性高，使用壽命長
● 成本低，封裝尺寸小
● 支持靈活的同軸、偏軸和側(cè)軸擺放
MPS MagAlpha 傳感器中使用了一組擁有自有專利的垂直霍爾陣列，用來測(cè)量磁場(chǎng)的水平矢量。這種磁場(chǎng)通常來自位于傳感器上方或側(cè)面的一對(duì)徑向磁化的磁極。MagAlpha 霍爾陣列的這種傳感技術(shù)支持多種磁鐵-傳感器擺放位置（見圖1）。
圖 1：支持同軸和側(cè)軸拓?fù)?/p>
傳感器前端包含一個(gè)面向各個(gè)方向的專有霍爾元件陣列。該陣列以高速（每1μs）連續(xù)采樣并產(chǎn)生近似正弦的內(nèi)部信號(hào)波形。該波形過零點(diǎn)處的相位角直接與被測(cè)角度相關(guān)。在每個(gè)測(cè)量周期開始后，使用快速數(shù)字計(jì)數(shù)器測(cè)量過零點(diǎn)的相位，這個(gè)值直接反映了每個(gè)測(cè)量角度的大小。圖 2 展出了典型采樣波形圖。計(jì)數(shù)器得到的值被傳遞到低延遲數(shù)字濾波模塊，由該模塊負(fù)責(zé)均衡噪聲和提高傳感器的輸出分辨率。根據(jù)不同濾波器深度，分辨率最高可達(dá)14位（3-sigma）。
MPS將這種獨(dú)有的“相位到數(shù)字”的專利技術(shù)稱為SpinAxisTM。它與傳統(tǒng)的X-Y霍爾模塊和反正切計(jì)算技術(shù)有所不同。傳統(tǒng)基于反正切的算法具有數(shù)百微秒的延遲，會(huì)導(dǎo)致更大的角度滯后（測(cè)量的角度與實(shí)際機(jī)械角度）。而MagAlpha前端的快速采樣率和數(shù)字濾波器的低延遲設(shè)計(jì)，從前端捕獲到的輸出接口可用角度信息的角度滯后通常僅為10μs。
這使得MagAlpha傳感器在非常高的轉(zhuǎn)速下依然能夠捕獲低延時(shí)的角度。由于延遲固定在大約10μs，因此恒定轉(zhuǎn)速下的滯后角度僅為10μs×（以度/秒為單位）。例如，轉(zhuǎn)速在50,000rpm時(shí)，從采集到輸出的角度滯后為每秒300,000度×10μs= 3度。
與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的磁性解決方案相比，SpinAxisTM技術(shù)還支持更廣泛的磁場(chǎng)強(qiáng)度，例如使用總磁阻（GMR）或各向異性磁阻（AMR）材料的磁解決方案。MagAlpha傳感器可支持的場(chǎng)強(qiáng)范圍為15mT到100mT以上。這樣，磁材料的選擇以及磁體至傳感器的定位設(shè)計(jì)變得更加靈活。
圖 2：SpinAxisTM 技術(shù)
數(shù)字濾波模塊
數(shù)字濾波模塊針對(duì)每個(gè)不同的MagAlpha傳感器類型都進(jìn)行了優(yōu)化，得以更好地匹配目標(biāo)應(yīng)用。濾波器的濾波深度（處理的樣本數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系）會(huì)影響傳感器的最終輸出分辨率，濾波器深度越大（樣本越多），分辨率越高。
更深的濾波器深度會(huì)導(dǎo)致濾波器分辨率增加而帶寬降低（因?yàn)樘幚砀鄻颖拘枰L的時(shí)間）。同樣，隨著帶寬減小，濾波器的時(shí)間常數(shù)也會(huì)增加。這將影響整個(gè)系統(tǒng)環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也決定了傳感器在具有動(dòng)態(tài)角度變化或旋轉(zhuǎn)速度變化的系統(tǒng)中的性能。MagAlpha系列的濾波器時(shí)間常數(shù)（tau）范圍為1ms至16ms。該值可用于計(jì)算加速或減速期間產(chǎn)生的角度滯后誤差。速度變化下的角度滯后誤差等于單位為度/每秒2（即加速度/減速度）乘以tau值的平方。后期文章將深入探討這種效應(yīng)以及如何為應(yīng)用程序選擇合適的帶寬。
傳感器系列產(chǎn)品
基于不同的應(yīng)用，我們已經(jīng)研發(fā)了幾款具有不同性能和輸出接口類型的MagAlpha產(chǎn)品。所有的MagAlpha傳感器都可以通過SPI總線輸出數(shù)字角度值，在某些設(shè)備中也可以通過SSI輸出。此外，特定的型號(hào)還提供了增量正交ABZ編碼器輸出，PWM輸出或UVW換向信號(hào)，用于電機(jī)控制。其他性能包括可以設(shè)置磁場(chǎng)檢測(cè)的閥值用于磁鐵位置檢測(cè)和磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)，提供了用于改善側(cè)裝模式下輸出線性化的寄存器以及零角度位置的設(shè)置。
改善側(cè)裝線性化特性允許傳感器調(diào)整霍爾陣列在X或Y軸上的增益，以補(bǔ)償此模式中存在的磁場(chǎng)矢量不平等現(xiàn)象，并重新獲得線性輸出響應(yīng)。零角度位置調(diào)整意味著不需要手動(dòng)調(diào)整磁極對(duì)準(zhǔn)傳感器的方向，可以在軟件中調(diào)整偏移以獲得所需的零角度位置。所有可編程功能都可以存儲(chǔ)在非易失性片上EEPROM存儲(chǔ)器中。每次開機(jī)后都會(huì)自動(dòng)加載這些設(shè)置。圖 3 展示了 MagAlpha 傳感器的通用功能框圖。
圖 3：MagAlpha 通用功能框圖
下表列出了所有MagAlpha系列產(chǎn)品：
Ma7xx 系列產(chǎn)品具有9-14位SPI輸出分辨率，同時(shí)具備SSI、ABZ和PWM多種輸出接口。此系列產(chǎn)品適用于任一款通用型角度/速度傳感應(yīng)用，包括驅(qū)動(dòng)器、編碼器和磁場(chǎng)定向電機(jī)控制（FOC）應(yīng)用。該系列最新產(chǎn)品MA732可以允許用戶編程數(shù)字濾波器的參數(shù)，如分辨率，時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)時(shí)間等，還具有可調(diào)節(jié)的ABZ遲滯功能。
MA780和MA781適應(yīng)于平均功耗低的應(yīng)用，比如電池供電設(shè)備。這兩款芯片可以在休眠、喚醒和采樣三種模式之間進(jìn)行自動(dòng)切換以實(shí)現(xiàn)低功率模式。Ma780采用3mmx3mm QFN封裝，MA781則采用小尺寸2mmx2mm QFN封裝。
Ma3xx 系列產(chǎn)品具有9-14位SPI輸出分辨率，同時(shí)具備ABZ和UVW兩種輸出接口。UVW接口可以取代許多三相無刷電機(jī)中三個(gè)獨(dú)立霍爾傳感器產(chǎn)生的電機(jī)換向信號(hào)。通過使用一對(duì)簡(jiǎn)單的磁極，MA3xx系列能夠模擬三個(gè)霍爾傳感器的波形，并產(chǎn)生UVW輸出，支持具有1至8對(duì)極的轉(zhuǎn)子。
將SPI角度或ABZ編碼器輸出與UVW換向相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)非常緊湊的無刷伺服電機(jī)解決方案。這對(duì)于小尺寸微型電機(jī)來說非常有用，因?yàn)椴豢赡茉谖⑿碗姍C(jī)的定子繞組中嵌入三個(gè)霍爾開關(guān)。
MA330允許對(duì)數(shù)字濾波器參數(shù)進(jìn)行編程來優(yōu)化伺服電機(jī)控制中的環(huán)路帶寬，以及可調(diào)節(jié)的ABZ遲滯，以支持給定分辨率設(shè)置下更高的每匝數(shù)脈沖數(shù)。
對(duì)于僅需替代3個(gè)霍爾傳感器的非伺服應(yīng)用，MA102是一款僅提供UVW信號(hào)的最小解決方案。它具有互補(bǔ)的輸出極性，可以從傳感器接線器返回電機(jī)控制器，從而獲得更高的信噪比性能。
針對(duì)汽車應(yīng)用，MAQ470和MAQ430分別作為MA702和MA302 12位角度傳感器的AECQ Grade-1版本。這兩款產(chǎn)品能夠在-40°C至+ 125°C溫度內(nèi)工作，適用于車輛應(yīng)用中的駕駛室和車身傳感電子設(shè)備。典型應(yīng)用包括信息娛樂控制、HVAC襟翼角度控制和彈出門把手。
最后，針對(duì)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)用戶界面應(yīng)用，性價(jià)比高的8位MA8xx系列產(chǎn)品可代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)開關(guān)或電位器。它們還具有MagAlpha磁場(chǎng)閾值檢測(cè)功能，可以在旋鈕設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)按鈕動(dòng)作。
所有MagAlpha傳感器均采用節(jié)省空間的3mmx3mm QFN封裝（除了MA781采用2mmx2mm QFN封裝），采用3.3V電源供電。電流消耗通常在10mA至13mA范圍內(nèi)，新品低功率產(chǎn)品MA780和MA781可實(shí)現(xiàn)微安級(jí)的平均電流。
更多關(guān)于MagAlpha傳感器系列產(chǎn)品的信息，請(qǐng)瀏覽 https://www.monolithicpower.com/en/products/sensors/position-sensors.html
關(guān)于MagAlpha系列的下一篇文章將討論如何通過數(shù)字濾波器操作確定輸出分辨率，以及不同的濾波器帶寬對(duì)角度滯后的影響。
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