在电机控制系统中,大多数时候磁编码器芯片会参与整个系统的闭环控制,它的性能会显著影响整个闭环系统的表现。随着磁编码器技术的发展,磁编码在以往很多利用光学编码器的应用里展现出了更耐用的特性,慢慢的磁性编码器成为工业应用中的主流选择。磁编码芯片中通常是能感应电压变化的霍尔效应器件,或者是磁阻器件,目前霍尔效应器件居多,磁阻效应的器件性能更高但是成本也更大。

磁编码芯片噪声、分辨率与绝对精度

作为传感类芯片,磁编码芯片在使用过程中肯定有配套的外部磁路,编码芯片本身的核心性能更在很大程度上又决定了编码器的性能。磁编码芯片的几个关键性能指标,噪声、分辨率以及绝对角度精度都是选择磁编码芯片时必须要考虑的指标。

噪声是所有电子系统设计时都无法绕开的问题,虽然噪声源很多,但是基本上都有专门的电路来处理这些噪声,对于磁编码器芯片来说,噪声主要是电阻和MOS的热噪声。噪声的强弱会直接影响到分辨率。过大的噪声将使相邻的步进难以分辨,也就是说有效分辨率实际上是降低了的。因此如何在各个环节中抑制噪声是磁编码芯片首先要考虑的问题。


(图源:AMS

绝对角度精度则定义了整个量程内任一点与该点理想值的偏差。目前从各家磁编码芯片在绝对角度精度上的校准来看,普遍能做到±0.5°到±1°左右,装配完成后进行校准能提高到±0.05°到±0.1°左右。

磁编码芯片技术应用

在磁编码芯片上,动态角度误差补偿(DAEC)是一种AMS革命性的新技术,它能够提供接近零的输出延迟和超快刷新率。这种技术可用于高精度角度位置检测、高速旋转系统和BLDC 电机。在传感器工作时对角度误差进行动态补偿,消除高转速下的角度测量滞后。

这种补偿直接在器件内部进行,不需要额外的外部补偿系统。通常有些高性能应用会使用外部补偿系统,利用单独磁敏感元件以及分立的运放、AD转换器和MCU等器件来扼制编码器芯片噪声。与这种方案相比,补偿在传感器内部进行更小巧,成本上也更可控。另一方面,外部补偿系统不可避免会有采样误差等其他系统误差,内部补偿则不需要这种情况。

MPS则提供了一种新的测量角度方法,其应用的SpinAxis Hall测量技术能提供数字化瞬时角度位置。这种相位检测方法,避免了传统技术中所需要的模拟数字转换或者复杂的角度计算。


(SpinAxis Hall测量技术编码器芯片,MPS)

SpinAxis Hall测量技术利用一组霍尔板阵列,以非常高的速度连续采样,可以瞬间捕捉每个1μs的角度,而不需要a-d转换或弧切线计算。这意味着能够在更宽的磁场范围内工作,为磁铁定位提供了更大的灵活性。

英飞凌基于霍尔传感、AMR、GMR以及TMR的传感技术全部覆盖,能提供种类最多的磁性角度传感。以GMR为例,磁编码器式GMR在高速检测中响应速度比霍尔和AMR都更快,避免了输出响应速度慢导致50%占空比无法实现的情况,如果50%占空比出现偏差,转速计算和旋转方向检测也会由于时序错配导致检测精度恶化,这一点上完全不用担心。

而且英飞凌的集成磁阻(ixMR)技术将上述技术进行融合,提供了最佳的性能和最高的质量。同时还提供了创新的堆叠安装技术,将两个独立的传感组合在标准且节省空间的TDSO封装中,该封装仅约 1 毫米厚。感应元件上的磁场更均匀,占用空间更小。

小结

磁编码器芯片在实际使用中能达到的精度不仅取决于芯片本身,还取决于磁铁的性能、磁铁的安装精度等多种因素。各厂商通过不同的技术手段实现了不同分辨率下更优异的性能,可以说各有所长。另一方向,在更高分辨率的应用领域,各厂商也都在不遗余力地通过新的校准方法或技术手段来提高磁编码绝对精度。

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