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新型霍尔效应传感器实现360°旋转位置传感
    

一类新的霍尔传感器能够在单点感应磁通量的所有三个分量。

VINCENT M. HILIGSMANN,
MELEXIS MICROELECTRONIC SYSTEMS

    在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器( IMC )可以实现高精度 360° 旋转位置传感。三轴霍尔技术结合了集成磁场集中器和高精度、非接触式的高性价比小型旋转位置传感器。 Melexis 的 MLX90316 是第一款三轴系列产品,旨在解决长期困扰 360° 位置传感的题目。

工作原理
    普通的水平(或者平面)霍尔传感器只能感应垂直于 IC 表面的磁通量。而三轴霍尔传感器能够在单点感应到磁通量的所有三个分量。

    实在现方法是在十字形两对平面霍尔片的中心位置处放置一个直径 200μm 、厚 25μm 的 IMC ,起到传感作用的是霍尔片(图 1A )。

figure

> 图 1. 三轴霍尔传感器
( A )顶视图显示了 IMC (黄色)和平面霍尔片(蓝色)。
figure 沿三轴传感器一个轴方向的横截面( B )显示了 IMC 和平面霍尔片以及磁力线。

IMC 是非晶材料,在后加工过程中,利用光刻和刻蚀技术在晶片上沉积而成。

    IMC 将平行于芯片表面的磁通量( B // )转换为正交分量( B ⊥ ),这一分量由下面的霍尔片进行感应(图 1B )。只要 IMC 材料没有达到饱和,这种转换就是线性的。平行磁通量大于 70mT 时出现饱和,材料饱和会影响传感器的线性度,但并不是不可逆的。磁通量回到正常范围后,恢复线性特性。 IMC 不存在磁滞现象。

Click for larger image    每一对霍尔片直接或者通过 IMC 结构来丈量其上的磁通量。提取出每一对霍尔片的信号后,可以低偿磁通量的正交分量(即 B Z ),留下平行分量(即 B X 和 B Y )。增加信号可以消除水平分量;因此,只感应正交分量。这样,通过简单的运算,就可以测得磁通量的所有三个分量。这就是三轴霍尔的得名。

三轴霍尔器件的运转
    作为非接触旋转位置传感器 IC , MLX90316 只使用旋转磁铁在 IC 上磁通量的平行分量(即 B X 和 B Y )。

noncontact     图 2 的结构框图显示了原始霍尔信号 V X 和 V Y 在数字化之前,先通过多路复用斩波放大 。

    基于微控制器的数字信号处理( DSP )内核进一步处理信号,得到角度信息。角度( α )输出为模拟信号(通过 DAC 之后)、数字 PWM 或者串行信号。

    当径向磁铁(通过圆形磁铁平面的磁场)在 IC (图 3 )上面旋转时,磁通分量 B X 和 B Y 将产生两个正交的正弦波(图 4 ), B X 正比于 cosine(α) , B Y 正比于 sine(α) 。

figure
> 图 4. 旋转的磁场产生了两个正交的正弦波,得到 X 和 Y 轴的磁通量 B X 和 B Y 。

    原始霍尔信号 V X 和 V Y 分别与 B X 和 B Y 成正比。放大后, MLX90316 的嵌进式 DSP 执行以下运算,得到角度信息:

equation

(1)

其中:

A

=

增益

V X

=

X 方向的原始霍尔信号

V Y

=

Y 方向的原始霍尔信号

α

=

角度

    由于 MLX90316 直接输出其上旋转磁铁的角度位置(最大 360° ),实际上就是传感器 IC 的旋转位置。

    方程 1 突出了三轴霍尔技术的两个关键特性:放大后,两路霍尔信号分开;对两路信号的匹配偏差进行补偿,不会影响输出角度的精度。三轴霍尔 IC 不受磁铁热系数的影响,气隙也不会改变,而普通霍尔技术直接受到这些偏差的影响。 MLX90316 还带有 EEPROM ,存储与芯片功能和输出特性相关的参数,模块安装后还可以调整输出传输特性。

旋转位置传感器的性能
    任何位置传感器的主要品质因数是线性误差,它包括与理想输出传输特性(即线性)相关的所有偏差。这些偏差涉及到电气、机械、磁场、热效应和器件老化等题目。旋转位置传感器的性能主要受到 IC 固有线性误差和传感器模块组件引进的其他误差的影响。

IC 固有误差 。要评估 IC 的性能,由于 V X 和 V Y 并不与 B X 和 B Y 完全成正比,因此,需要考虑理想公式的偏差(方程 1 ):

equation

(2)

    其中, V X0 和 V Y0 反映了原始信号的失调, A X 和 A Y 反映了两个通道的灵敏度失配, β 是垂直(即正交)误差。

结果得到的线性误差由方程 3 给出。

equation

(3)

    IC 使用 EEPROM 中设置的补偿参数来降低线性误差。图 5 显示了补偿后,残余线性误差每一分量的影响, MLX90316 数据手册对此进行了说明。

figure
> 图 5.
( A )是一个周期内失调影响最大时的典型曲线
figure
( B )是两个周期内的灵敏度失配
figure
( C )是两个周期内的正交性

补偿后,除了线性误差之外,还要考虑其他三种影响:

  • 温度影响。温度主要影响失调,在热失调漂移规范中,它对误差预算的影响与图 5A 所示的方式相似。灵敏度热系数失配对总误差的贡献是 0.1° 。
  • 原始信号非线性。假如原始信号本身带有非线性,它将影响角度线性误差,如图 6 所示。一旦 IMC 开始饱和后,就可以观察到这种非线性。在正常范围内,非线性的贡献小于 0.1° 。
  • 磁滞。非晶 IMC 结构不会产生能够丈量到的磁滞。因此,可以以为磁滞误差是零(或者非常小)。

figure
> 图 6. 线性误差曲线显示了在四个周期内,原始信号非线性的影响。

机械误差 。机械设计需要将移动部分(例如,轴)、磁铁和 IC 装配到同一外壳中。除了 IC 线性误差外,旋转位置传感器的误差预算还需要考虑机械和磁铁结构的影响。主要贡献来自于磁铁围绕其中心旋转时相对于感应单元的径向偏心。

    从经验上,要得到小于 0.3° 的线性误差(该误差来自磁铁与轴的偏离),磁铁直径应比最大偏心大 20 倍以上(图 7 )。

figure
> 图 7. 磁铁偏心对非线性误差的影响。

    尽管气隙变化不会影响线性误差,但是磁铁倾斜——与 IC 平面的偏心相结合后,将会引进明显的误差。

    三轴霍尔传感器 MLX90316 简化了非接触旋转位置传感器的设计。三轴霍尔技术可以取代电感和磁阻技术,替换传统的电阻接触式分压计。该技术还能够实现 1D (例如,线性位置传感器)、 2D (例如,旋转位置传感器)和 3D (例如,操纵杆位置传感器)传感器。

>>> 磁铁选择
    利用 MLX90316 构建位置传感器需要使用磁铁,在传感位置安装活动的机械部件(通常连接在轴的末端)。只要水平磁通量均匀的磁铁都可以使用。磁铁的大小和材料并不重要;在机械、磁场和热容限之内,水平磁通量必须在 20–70 mT (例如, 45 mT ±25 mT )范围以内。下限与信噪比相关,而上限受到 IMC 结构饱和的影响,饱和后产生线性误差。

    在气隙题目上,假如间隔 IC 表面的实际气隙大于 7.5mm ,环形磁铁要优于盘形磁铁。磁铁可以放在轴的末端,使用环形磁铁时可以绕在轴上。也可以使用特殊的磁铁设计,获得旋转位置传感器正常的传输特性(例如, B X 正比于 cosine(α) , B Y 正比于 sine(α) ),同时还能够丈量其他的物理参数(例如,线性移位等)。

 



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    时间:2011年03月06日 11:44:14 来源:未知 作者: 上一篇:上尚科技GW21C 下一篇:传感器数据信息发掘  (电脑版  手机版)
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