【導讀】在眾多的機械系統中，檢測位置/速度能力已經成為系統控制和監控的一項基本要求。在低速位置測量應用中，如電機驅動通常會使用電阻電位器。而在高速應用中，如伺服電機則常使用光電編碼器。
其中，電位器價格優惠，但作為基于移動觸點元件，它們的缺點也顯而易見：易遭受機械接觸磨損、易受外部環境因素損壞（包括濕氣和污垢侵入）。光電編碼器精度高，但由于其結構的復雜性，因此價位也相當高。面對這樣的窘境，其實工程師還可以選擇非接觸式旋轉磁性角度傳感器（MagAlpha系列產品）來解決這一難題。
MagAlpha 系列傳感器優勢明顯：
● 8-14b位角度輸出，同時具備 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，用來測量磁場的水平矢量。這種磁場通常來自位于傳感器上方或側面的一對徑向磁化的磁極。MagAlpha 霍爾陣列的這種傳感技術支持多種磁鐵-傳感器擺放位置（見圖1）。
圖 1：支持同軸和側軸拓撲
傳感器前端包含一個面向各個方向的專有霍爾元件陣列。該陣列以高速（每1μs）連續采樣并產生近似正弦的內部信號波形。該波形過零點處的相位角直接與被測角度相關。在每個測量周期開始后，使用快速數字計數器測量過零點的相位，這個值直接反映了每個測量角度的大小。圖 2 展出了典型采樣波形圖。計數器得到的值被傳遞到低延遲數字濾波模塊，由該模塊負責均衡噪聲和提高傳感器的輸出分辨率。根據不同濾波器深度，分辨率最高可達14位（3-sigma）。
MPS將這種獨有的“相位到數字”的專利技術稱為SpinAxisTM。它與傳統的X-Y霍爾模塊和反正切計算技術有所不同。傳統基于反正切的算法具有數百微秒的延遲，會導致更大的角度滯后（測量的角度與實際機械角度）。而MagAlpha前端的快速采樣率和數字濾波器的低延遲設計，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速下依然能夠捕獲低延時的角度。由于延遲固定在大約10μs，因此恒定轉速下的滯后角度僅為10μs×（以度/秒為單位）。例如，轉速在50,000rpm時，從采集到輸出的角度滯后為每秒300,000度×10μs= 3度。
與競爭對手的磁性解決方案相比，SpinAxisTM技術還支持更廣泛的磁場強度，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傳感器可支持的場強范圍為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計變得更加靈活。
圖 2：SpinAxisTM 技術
數字濾波模塊
數字濾波模塊針對每個不同的MagAlpha傳感器類型都進行了優化，得以更好地匹配目標應用。濾波器的濾波深度（處理的樣本數量與時間的關系）會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導致濾波器分辨率增加而帶寬降低（因為處理更多樣本需要更長的時間）。同樣，隨著帶寬減小，濾波器的時間常數也會增加。這將影響整個系統環路的響應時間，同時也決定了傳感器在具有動態角度變化或旋轉速度變化的系統中的性能。MagAlpha系列的濾波器時間常數（tau）范圍為1ms至16ms。該值可用于計算加速或減速期間產生的角度滯后誤差。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以及如何為應用程序選擇合適的帶寬。
傳感器系列產品
基于不同的應用，我們已經研發了幾款具有不同性能和輸出接口類型的MagAlpha產品。所有的MagAlpha傳感器都可以通過SPI總線輸出數字角度值，在某些設備中也可以通過SSI輸出。此外，特定的型號還提供了增量正交ABZ編碼器輸出，PWM輸出或UVW換向信號，用于電機控制。其他性能包括可以設置磁場檢測的閥值用于磁鐵位置檢測和磁場強度檢測，提供了用于改善側裝模式下輸出線性化的寄存器以及零角度位置的設置。
改善側裝線性化特性允許傳感器調整霍爾陣列在X或Y軸上的增益，以補償此模式中存在的磁場矢量不平等現象，并重新獲得線性輸出響應。零角度位置調整意味著不需要手動調整磁極對準傳感器的方向，可以在軟件中調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在非易失性片上EEPROM存儲器中。每次開機后都會自動加載這些設置。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系列產品：
Ma7xx 系列產品具有9-14位SPI輸出分辨率，同時具備SSI、ABZ和PWM多種輸出接口。此系列產品適用于任一款通用型角度/速度傳感應用，包括驅動器、編碼器和磁場定向電機控制（FOC）應用。該系列最新產品MA732可以允許用戶編程數字濾波器的參數，如分辨率，時間常數和啟動時間等，還具有可調節的ABZ遲滯功能。
MA780和MA781適應于平均功耗低的應用，比如電池供電設備。這兩款芯片可以在休眠、喚醒和采樣三種模式之間進行自動切換以實現低功率模式。Ma780采用3mmx3mm QFN封裝，MA781則采用小尺寸2mmx2mm QFN封裝。
Ma3xx 系列產品具有9-14位SPI輸出分辨率，同時具備ABZ和UVW兩種輸出接口。UVW接口可以取代許多三相無刷電機中三個獨立霍爾傳感器產生的電機換向信號。通過使用一對簡單的磁極，MA3xx系列能夠模擬三個霍爾傳感器的波形，并產生UVW輸出，支持具有1至8對極的轉子。
將SPI角度或ABZ編碼器輸出與UVW換向相結合，可實現非常緊湊的無刷伺服電機解決方案。這對于小尺寸微型電機來說非常有用，因為不可能在微型電機的定子繞組中嵌入三個霍爾開關。
MA330允許對數字濾波器參數進行編程來優化伺服電機控制中的環路帶寬，以及可調節的ABZ遲滯，以支持給定分辨率設置下更高的每匝數脈沖數。
對于僅需替代3個霍爾傳感器的非伺服應用，MA102是一款僅提供UVW信號的最小解決方案。它具有互補的輸出極性，可以從傳感器接線器返回電機控制器，從而獲得更高的信噪比性能。
針對汽車應用，MAQ470和MAQ430分別作為MA702和MA302 12位角度傳感器的AECQ Grade-1版本。這兩款產品能夠在-40°C至+ 125°C溫度內工作，適用于車輛應用中的駕駛室和車身傳感電子設備。典型應用包括信息娛樂控制、HVAC襟翼角度控制和彈出門把手。
最后，針對簡單的旋轉用戶界面應用，性價比高的8位MA8xx系列產品可代替機械旋轉開關或電位器。它們還具有MagAlpha磁場閾值檢測功能，可以在旋鈕設計中實現按鈕動作。
所有MagAlpha傳感器均采用節省空間的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，新品低功率產品MA780和MA781可實現微安級的平均電流。
更多關于MagAlpha傳感器系列產品的信息，請瀏覽 https://www.monolithicpower.com/en/products/sensors/position-sensors.html
關于MagAlpha系列的下一篇文章將討論如何通過數字濾波器操作確定輸出分辨率，以及不同的濾波器帶寬對角度滯后的影響。
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