MagAlpha 磁性角度传感器系列产品简介

介绍

在众多的机械系统中，检测位置/速度能力已经成为系统控制和监控的一项基本要求。在低速位置测量应用中，如电机驱动通常会使用电阻电位器。而在高速应用中，如伺服电机则常使用光电编码器。

其中，电位器价格优惠，但作为基于移动触点元件，它们的缺点也显而易见：易遭受机械接触磨损、易受外部环境因素损坏（包括湿气和污垢侵入）。光电编码器精度高，但由于其结构的复杂性，因此价位也相当高。面对这样的窘境，其实工程师还可以选择非接触式旋转磁性角度传感器（MagAlpha系列产品）来解决这一难题。 

MagAlpha 系列传感器优势明显：

•  8-14b位角度输出，同时具备 SPI/ABZ/PWM/UVW 多种输出接口可选
•    非接触式磁性传感可靠性高，使用寿命长
•  成本低，封装尺寸小
•  支持灵活的同轴、偏轴和侧轴摆放

MPS MagAlpha 传感器中使用了一组垂直霍尔阵列，用来测量磁场的水平矢量。这种磁场通常来自位于传感器上方或侧面的一对径向磁化的磁极。MagAlpha 霍尔阵列的这种传感技术支持多种磁铁-传感器摆放位置（见图1）。

图 1：支持同轴和侧轴拓扑

传感器前端包含一个面向各个方向的专有霍尔元件阵列。该阵列以高速（每1μs）连续采样并产生近似正弦的内部信号波形。该波形过零点处的相位角直接与被测角度相关。在每个测量周期开始后，使用快速数字计数器测量过零点的相位，这个值直接反映了每个测量角度的大小。图 2 展出了典型采样波形图。计数器得到的值被传递到低延迟数字滤波模块，由该模块负责均衡噪声和提高传感器的输出分辨率。根据不同滤波器深度，分辨率最高可达14位（3-sigma）。

MPS将这种独有的“相位到数字”的技术称为SpinAxisTM。它与传统的X-Y霍尔模块和反正切计算技术有所不同。传统基于反正切的算法具有数百微秒的延迟，会导致更大的角度滞后（测量的角度与实际机械角度）。而MagAlpha前端的快速采样率和数字滤波器的低延迟设计，从前端捕获到的输出接口可用角度信息的角度滞后通常仅为10μs。

这使得MagAlpha传感器在非常高的转速下依然能够捕获低延时的角度。由于延迟固定在大约10μs，因此恒定转速下的滞后角度仅为10μs×（以度/秒为单位）。例如，转速在50,000rpm时，从采集到输出的角度滞后为每秒300,000度×10μs= 3度。

与竞争对手的磁性解决方案相比，SpinAxisTM技术还支持更广泛的磁场强度，例如使用总磁阻（GMR）或各向异性磁阻（AMR）材料的磁解决方案。MagAlpha传感器可支持的场强范围为15mT到100mT以上。这样，磁材料的选择以及磁体至传感器的定位设计变得更加灵活。

图 2：SpinAxis^TM 技术

数字滤波模块

数字滤波模块针对每个不同的MagAlpha传感器类型都进行了优化，得以更好地匹配目标应用。滤波器的滤波深度（处理的样本数量与时间的关系）会影响传感器的最终输出分辨率，滤波器深度越大（样本越多），分辨率越高。

更深的滤波器深度会导致滤波器分辨率增加而带宽降低（因为处理更多样本需要更长的时间）。同样，随着带宽减小，滤波器的时间常数也会增加。这将影响整个系统环路的响应时间，同时也决定了传感器在具有动态角度变化或旋转速度变化的系统中的性能。MagAlpha系列的滤波器时间常数（tau）范围为1ms至16ms。该值可用于计算加速或减速期间产生的角度滞后误差。速度变化下的角度滞后误差等于单位为度/每秒²（即加速度/减速度）乘以tau值的平方。后期文章将深入探讨这种效应以及如何为应用程序选择合适的带宽。

传感器系列产品

基于不同的应用，我们已经研发了几款具有不同性能和输出接口类型的MagAlpha产品。所有的MagAlpha传感器都可以通过SPI总线输出数字角度值，在某些设备中也可以通过SSI输出。此外，特定的型号还提供了增量正交ABZ编码器输出，PWM输出或UVW换向信号，用于电机控制。其他性能包括可以设置磁场检测的阀值用于磁铁位置检测和磁场强度检测，提供了用于改善侧装模式下输出线性化的寄存器以及零角度位置的设置。

改善侧装线性化特性允许传感器调整霍尔阵列在X或Y轴上的增益，以补偿此模式中存在的磁场矢量不平等现象，并重新获得线性输出响应。零角度位置调整意味着不需要手动调整磁极对准传感器的方向，可以在软件中调整偏移以获得所需的零角度位置。所有可编程功能都可以存储在非易失性片上EEPROM存储器中。每次开机后都会自动加载这些设置。图 3 展示了 MagAlpha 传感器的通用功能框图。

图 3：MagAlpha 通用功能框图

下表列出了所有MagAlpha系列产品：