三维传感器 TMAG5170

在这种情况下，传感器位于 45° 位置，但仍与沿 X 轴放置时一样对齐。在磁体旋转 45° 时，磁极面向传感器，但
与器件内的任何元件不直接正交。这也可以通过将传感器就地旋转 45° 来实现。从机械上讲，两个方向将会产生
相同的效果。由于这种旋转，我们可以观察到 A 和 B 两个位置的磁场输入的预期变化，如图 3-2 所示。
Angle (q)
Magnetic Flux Density (mT)
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
D014
Bx
By
Angle [q]
Magnetic Flux Density (mT)
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
D003
Bx
By
图 3-2. 旋转 45° 的平面内对齐
通过旋转传感器，我们在 B 场矢量的每个分量中实现了匹配的输入。当磁体旋转 45°并且磁极指向传感器时，每
个霍尔元件将与 B 场矢量的 X 和 Y 分量相匹配，并且将检测到相等的幅度。通过这种旋转，每个传感器都能够检
测到一个峰值，该峰值等于 B 场矢量的原始 X 和 Y 分量的平均值。因此，高方向为平面内检测提供了理想的磁体
和传感器对齐方式。
3.2 传感器校准
在某些系统中，传感器放置可能会受到机械限制，因此平面内或同轴 45° 对齐都无法实现。在这些情况下，需要
进行传感器输出匹配来实现最佳性能。角度位置计算要求分量在整个旋转过程中保持固定大小，以便产生一致的
结果。
磁体的圆形形状允许通过超越函数（正弦和余弦）来描述位置的角度变化。只要这两个函数的缩放比例相同，计
算得到的旋转路径就是圆形的。如果每个分量的缩放比例不相等，则预测路径将变为椭圆形。角度误差将通过将
椭圆引用归于圆形旋转（或移动）来引入。要解决该问题，最简单的方法是确保 CORDIC 计算的输入幅度相等。TMAG5170 器件允许用户通过对任何一个
通道实施增益衰减系数来调整 CORDIC 输入。
图 3-3 说明了 X 分量振幅 Ax 大于 Y 分量振幅 Ay 的情况。必须减小 Ax 以匹配 Ay 的比例。
Ay
图 3-3. 角度计算的幅度校正
设置 TMAG5170 峰值的校准过程很简单：
1. 通过将 CONV_AVG 寄存器设置为 32x，将器件设置为每次转换获得最大样本数。
2. 将磁体旋转 360° 并记录所需轴的输出值。
3. 确定每个轴的峰值
a. 请注意哪个轴实现了最大幅度输入。根据传感器相对于磁体的方向和位置，这可能是 X、Y 或 Z 中的任何
一个。
4. 计算增益调整：
): =
#;
#:
a. 该比率应始终在分母上具有较大的峰值，以便 G < 1。该轴将根据增益系数进行衰减，并使用
Gain_Selection 寄存器进行选择。
5. 将增益系数 G 乘以 1024。将最接近的整数值编程到 GAIN_VALUE 寄存器中。
此功能允许用户同时校正灵敏度不匹配和非理想对齐所导致的任何误差。通过提供此校正，可以将传感器放置在
磁体附近存在两个足够大的输入的任何位置。
3.3 输入参考噪声
对于任何测量系统，务必记住工作信噪比 SNR。在本例中，在观察输出时，霍尔效应传感器以输入为基准的噪声
将显示为杂散磁场。理想情况下，该低电平噪声的幅度将比实际输入磁通密度小得多。
随着输入幅度的减小，信噪比将受到影响，结果将导致角度测量的准确性降低。
对于许多传感器而言，抵消该影响的唯一方法是使用更强的磁体或将传感器放置在离磁体更近的位置。成本和机
械设计可能会禁止这些选项中的任何一个。TMAG5170 提供了一种额外的方法来通过平均样本进一步降低该噪
声。
用户可编程均值计算可以设置在 2 倍至 32 倍范围内的值。虽然这确实会导致更长的转换时间，但它也可以降低总
有效噪声。每当样本数量加倍时，以输入为基准的噪声的有效 RMS 值都将减小为原来的 1/√2。在输入磁场较小
的情况下，降低输入噪声的好处尤为重要。该选项还可以帮助减小其他外部噪声因素（例如机械振动）的影响。
3.4 采样率的影响
在设计采用 3D 传感器进行角度计算的系统时要考虑的另一个变量是传感器的采样率。例如，考虑适用于
TMAG5170 的表 3-1。在表 3-1 所示的工作条件下，展示了单轴、两轴或三轴操作的各种均值计算模式的更新率。
在对移动目标执行角度计算的任何系统中，每次测量之间的角度阶跃将由该采样率设置。例如，假设 TMAG5170
以最大平均速率或表 3-1 所示的 0.417ksps 对全部三个轴进行采样。每个样本之间的时间约为 2.4 毫秒。如果被
检测的磁体以 100RPM 的速度旋转，则每个样本之间产生的角度变化为 1.44 度。这将在测量中显示为固定偏
移，并定义可检测到的最小角度变化。
此外，根据采样率设置，可能会有额外的角度误差。虽然以流水线方式运行以获得最大采样率，但任何
TMAG5170 转换的典型转换时间预计约为 25 微秒。如果对 32 次转换进行均值计算，则总采样时间约为 800 微
秒。在第一个通道的均值计算时间范围内，角度将改变 0.48 度。到第二次通道转换完成时，角度将再次增加相同
的量，总移动量约为 1 度。两个样本之间的时序偏移将导致角度误差。这再次凸显了伪同步采样的优势。
在磁体高速旋转的系统中应小心谨慎，以便应对这些类型的误差并适当选择设置。4 实际应用
为了帮助演示该功能，请考虑使用几种方法来实现简单的旋转磁体，这些磁体可用于任何数量的应用，例如电子
换挡器拨盘或连接到在自动化工厂中工作的机械臂电机的传感器。对于此分析，我们将尝试使用同轴和离轴方法
进行测量，演示设计过程。
4.1 按钮式旋钮
结合 TMAG5170EVM，设计了一个按钮拨盘来演示该器件的角度检测功能。我们将回顾使用同轴方法实现的该附
件的设计过程。
4.1.1 评估设计限制
为了充分展示 TMAG5170 A1 和 A2 型号的性能，已确定输入磁通密度应接近 TMAG5170A1 最高范围的满量程输
入。
设计了一个直径为 1in 的旋钮，以便能够提供足够大的东西来进行操作，同时使解决方案足够小，从而能够方便
地与 EVM 封装一起运送。因此，任何磁体的可用开口都需要约为 1/2in。
图 4-1. TMAG5170 按钮式旋钮附件4.1.3 原型设计和验证
通过将旋钮附件安装到 EVM，GUI 提供了捕获和绘制每个通道输出的选项，或者作为替代方案，有一个可视化界
面显示磁体角度的实时更新。
图 4-3. TMAG5170“Rotate & Push”GUI
该输出格式有助于模拟最终应用的外观，但无法告诉我们确切的测量误差。
相反，我们可以从大量数据样本中捕获数据，然后用该数据来绘制 X 和 Y 输入数据与输出角度的关系图。通过该
方法，我们可以查找表明器件角度响应中任何非线性的异常行为。请注意，此处有一些小的不规则现象，但在整个旋转过程中，我们看到相当平滑的结果，非常接近理想输入的模
式。这主要是由于旋钮的处理会影响传感器接近和磁体倾斜。还有一些偏移，会导致在 Z 方向产生磁场的可检测
部分。
另请注意，峰值幅度与此处的仿真值不匹配。在原型设计过程中，发现需要更换原始旋钮设计中使用的弹簧，并
且替换用弹簧具有一定的铁磁性。尽管存在这种干扰,但最终结果仍然能够为该用例检测到相当准确的角度。在设
计任何应用时，始终建议考虑外部材料对观察到的磁场的影响。
4.2 离轴设计
为了进一步展示使用具有灵敏度校正功能的 3D 传感器设计角度测量系统的优势，我们还将尝试离轴配置并在磁体
旋转时测量其精确角度。为此，我们希望将传感器放置在磁体的外边缘，类似于图 2-5 中所示。
在该配置中，我们将使用按钮式旋钮上的相同磁体，但会将其安装到能够精确驱动角度位置的运动控制器中。在
此处，我们可以确定配置的确切性能。
对于该分析，我们将使用 ±50mT 范围并再次将 90% 满量程作为峰值输入值。4.2.1 灵敏度增益校正
通过使用仿真软件，可以发现导致在 Z 方向产生大约 45mT 峰值输入的离轴放置。相同的放置方式会在 X 方向上
产生大约 32mT 的峰值幅度。
Angle (q)
Magnetic Flux Density (mT)
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
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0
15
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0 45 90 135 180 225 270 315 360
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
D011
Bx
By
Bz
图 4-5. 仿真离轴配置
然后在物理设置中匹配该配置，并捕获单次旋转的输出。在此处，我们可以看到仿真中的 X 和 Z 分量与捕获的结
果之间的行为非常接近22 使用多轴线性霍尔效应传感器进行角度测量 ZHCACL7A – JANUARY 2021 – REVISED APRIL 2023
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4.2.2 精度验证
在使用仿真数据执行角度计算时，该近似位置的角度误差接近于零，与 TMAG5170 的 0.25 度分辨率相比可以忽
略不计。虽然初始测量数据显示的输出似乎符合预期并且本质上是正弦曲线，但我们还发现，当计算角度位置并
根据精确角度位置绘制时，我们会看到一些意外的角度误差。这在图 4-7 中表示为角度误差。
Angle (q)
Measurement Error (q)
0 45 90 135 180 225 270 315 360
-2
-1
0
1
2
3
4
D009
Angle Error
Post Calibration
图 4-7. 测得的离轴角度误差
即使在调整输入以实现理想匹配后，在物理设置中观察到的角度误差也与设置中的机械误差有关。少量的磁体倾
斜和摆动会产生循环重复误差。
但是，有多种方法可用于进一步校准该误差。线性霍尔效应传感器角度测量理论、实现和校准应用报告 讨论了可
以实施以消除该行为的各种选项。图 4-7 中的“校准后”曲线说明了进一步校准测量值以实现尽可能稳健的设计
的好处。这在许多需要精密运动的应用中是必不可少的，例如在制造和自动化机械中很常见。
5 总结
利用三维传感器（例如 TMAG5170），能够使用单个霍尔效应传感器确定磁体的角度位置。这在空间有限的系统
中尤其强大。为了让器件更易于访问，内置的可扩展性允许用户选择几乎任何位置，方法是允许系统调节输入到
CORDIC 计算器的输入以使其匹配。
当输入分量的振幅匹配时，角度计算很简单。通过确保在运行 CORDIC 算法之前将输出调节到等效幅度，可以轻
松消除角度测量的非线性。
应始终注意考虑机械容差和误差。最佳精度始终需要一些额外的校准，因为在组装和制造过程中发生的磁体旋转
变化（例如倾斜、摆动和偏移）通常无法提前预测。