如何选择和使用适合助力转向、电机和机器人的角度传感器

随着工厂和车辆自动化程度的提高，准确、低延迟的电机轴速度和位置感测对于过程控制、系统可靠性和安全性至关重要。为了满足这些需求，设计人员需要快速、精确，而且能够灵活应对磁场变化和轴向错位的角度旋转传感器。

对设计人员来说，令这个问题复杂化的是无时不在的成本和时间压力，以及各类工业和汽车应用的操作环境性质，它们可能会在化学品和油类以及温度和 EMI 等方面带来巨大的挑战。其他考虑因素还包括磨损和不断变化的配置，这要求传感器件具有一定程度的灵活性。

本文将介绍角度传感器的作用，并展示如何使用磁输入和传感器元件的特定组合来自定义位置感测特性（例如速度和低延迟）。然后介绍 AKM Semiconductor、Infineon Technologies 和 Monolithic Power Systems 的传感器解决方案示例，并讨论它们的实现。

角度传感器的作用

角度传感器可用于感测电机轴的位置和速度变化，实现汽车的转向角感测和机器人系统中的高精度控制。它们通过检测所施加磁场的方向并测量其正弦和余弦分量，来确定旋转轴上径向磁化圆柱体的绝对角位置。由于轴可能会高速旋转，因此需要以最小的延迟快速获取和处理来自传感器的数据，这一点至关重要。

通常使用四种磁性技术之一：霍尔效应、各向异性磁阻 (AMR)、巨磁阻 (GMR) 和隧道磁阻 (TMR)（图 1）。在使用其中任意一种技术时，设计人员都必须首先根据特定参数（例如磁属性、传感器规格和组装公差），确定从磁铁表面到传感器的合适距离。

图 1：当磁铁在 TMR 传感器上旋转时，感测元件的电阻会随旋转角度而变化。（图片来源：DigiKey）

该气隙必须与磁铁尺寸和剩磁（也称为剩余磁化强度）之类的参数保持一致。设计人员还必须确保气隙变化不会导致磁场过弱或过强。这需要仔细考虑适合应用气隙的磁铁（图 2）。

图 2：设计人员可以根据多种设计考虑因素选择磁铁与传感器的相对位置，例如所需的抗外部磁场干扰能力和气隙公差。（图片来源：Monolithic Power Systems）

不过，角度传感器可以支持广泛的空间配置和磁场强度，包括离轴或侧轴安装和轴端配置。为了帮助适应变化，使用片载非易失性存储器存储配置参数，例如参考零角度位置、ABZ 编码器设置以及电机绕组的相位信息。

接着，该器件能够检测各种磁场强度，从而使开发人员能够针对特定功能（例如诊断和轴向运动感测）定制角度传感器。获取可编程磁场强度阈值还有助于实现输出为两个逻辑信号的推挽按钮功能。

不过，尽管速度、低延迟和分辨率等特性均依赖于应用要求，但安全性才是角度传感器设计的核心。功能安全标准合规性进一步证实了对汽车和工业设计环境的承诺，而这些环境对于准确性和可靠性的要求非常严格。

符合功能安全要求

汽车应用中使用的角度传感器需要达到乃至 0.1˚ 的高精度，有助于确保在面对非常苛刻的操作环境时符合 ISO 26262 功能安全标准。这些传感器的应用包括用于泵、雨刷器、制动器、阀、挡板、踏板和转向角的无刷直流 (BLDC) 电机中的位置测量。0.1˚ 的精度适用于整个温度范围和产品生命周期。此外，在介于 10 mT 和 20 mT 之间的低磁通密度下（此时角度误差显著增加），用于汽车和工业设计的角度传感器仍必须实现低至 0.2° 的角度误差。

此外，角度传感器应该易于集成到安全关键型设计中，例如电动助力转向 (EPS) 系统，它们对于自动停车和车道保持等自动驾驶功能而言至关重要。

为了满足易用性要求，Infineon 的 XENSIV TLE5109 和 TLE5014 角度传感器提供了单芯片和双芯片版本，并将感测和逻辑元件都集成在一个芯片上（图 3）。双芯片版本更适合 ASIL-D 安全应用。

图 3：安全关键型应用所用的双芯片角度传感器（右图）的侧视图（左图），该传感器使用上下放置来缩小空间，并通过使用低成本的铁氧体磁性材料来节省成本。（图片来源：Infineon Technologies）

TLE5109A16E2210XUMA1 属于高精度 AMR 快速模拟角度传感器系列产品，误差角仅为 0.1°。尽管基于 AMR 的角度传感器专为 180° 角度测量而设计，但它们也适用于具有偶数极对的电机中的 360° 测量，因为 AMR 感测元件实际上可测量双角度，即正弦和余弦（图 4）。由于它们的角度误差很小，因而适用于各种磁通密度范围介于 10 mT 到 500 mT 以上的磁场。

图 4：基于 AMR 的角度传感器专为 180° 角度测量而设计，但由于它能测量正弦和余弦角度，因此也可用于完整的 360° 角度测量。（图片来源：Infineon Technologies）

TLE5109 角度传感器采用 3.3 V 或 5 V 电源供电。其他特性包括介于 40 µs 到 70 µs 之间的短启动时间，以确保最小的延迟并支持每分钟 30,000 转以上的速度。

TLE5014C16XUMA1 是 GMR 传感器系列之一，可通过将所需的配置存储在板载 EEPROM 中进行编程，以满足广泛的应用需求（图 5）。这些传感器还提供包括 PWM、SENT、SPC 和 SPI 在内的多种接口选择，从而提高灵活性和易用性。

图 5：预先配置和预先校准的 TLE5014 角度传感器具有灵活的编程能力，可适应任何使用板载 EEPROM 的应用。（图片来源：Infineon Technologies）

TLE5014 角度传感器通常从高达 26 伏（绝对最大值）的电源电压吸收 25 毫安 (mA) 电流，其单芯片版本符合 ISO 26262 ASIL-C 标准，双芯片版本符合 ISO 26262 ASIL-D 标准。

关键性能参数

为了充分实现角度传感器的功能，以减少可闻噪声并优化电机的平滑度和扭矩，设计人员应仔细考虑以下关键参数：精度、速度、延迟、轴向错位和磁铁漂移。

例如，尽管环境条件恶劣，但高精度读数对于汽车和工业环境至关重要。这使得热稳定性和气隙公差等因素对于角度传感器能否满足精度目标，同时不增加系统设计的成本和复杂性至关重要。

为了以最低的成本满足此类要求，Monolithic Power Systems 的 MagAlpha 磁性位置传感器 MA302GQ-P、MA702GQ-P/Z 和 MA730GQ-Z 可以安装在板的边缘，以用于轴端和侧轴（离轴）配置。在速度方面，凭借非接触式感测和 12 位分辨率绝对角度编码器，MA302 传感器能够提供 0 rpm 至 60,000 rpm 的准确角度测量。MagAlpha MA730GQ-Z 具有 14 位分辨率，并通过 SPI 链路提供数字读数（图 6）。

图 6：非接触式 MagAlpha MA730GQ-Z 具有 14 位分辨率，并通过 SPI 链路提供数字读数。（图片来源：Monolithic Power Systems）

不过，针对慢速操作（例如转速保持在 200 rpm 以下的人机界面 (HMI) 或手动控制），该公司还提供了 MagAlpha MA800，这是一种数字磁传感器，旨在取代模拟电位计或旋转开关。它与直径 2 mm 至 8 mm 的磁化圆柱体一起使用，具有灵活的磁铁配置和形状。

MA800 具有较低的分辨率（8 位），但具有片载非易失性存储器和可编程的磁场强度阈值。这些特性使其非常适合需要通过寄存器位以及输出信号来实现按钮读数的应用。

零延迟角度传感器

AK7451 是一种 12 位角度传感器，可通过测量磁场强度来检测角速度和旋转角度。它具有平行于 IC 表面运行的磁铁组合，同时还提供高达 20,000 rpm 的跟踪速度。在检测到平行于 IC 表面的磁场矢量后，它会输出磁铁的绝对角位置，然后输出相对角位置。

AK7451 采用跟踪伺服系统架构，以确保零延迟旋转角度感测。零延迟角度传感器可以输出多达八极 UVW 绕组相位（图 7），从而大幅提高了其通用性，使其可用于各种各样的电机驱动器和编码器应用。

图 7：AK7451 可让设计人员通过 EEPROM 来编程 16 种 ABZ 输出分辨率设置以及 8 种 UVW 输出脉冲数量设置。（图片来源：AKM Semiconductor）

此外，ABZ 相位输出分辨率设定还从 4 种扩展至 16 种，增强了电机控制的适用性。它还使 AK7451 角度传感器无需安装霍尔 IC，便可在直流无刷电机驱动的操作中保障转子位置检测。

在这里，值得一提的是，对于一些位置感测应用而言，延迟并不是关键问题。例如，在电动助力转向 (EPS) 手工滚轮角度感测中，每毫秒 (ms) 都会请求一个新的角度值。另外，区分由传感器 IC 和磁输入引起的误差也很重要，以便使用角度传感器 IC 来补偿与磁输入有关的误差。

总结

虽然更高的精度和更小的外形尺寸在很大程度上推动了汽车和工业应用中的角度传感器功能，但功能安全标准合规性概括了这些高精度器件的总体价值主张。但为了充分利用其功能，设计人员需要仔细考虑特定的应用要求，明确各种性能参数，例如适当的气隙、磁场强度、角速度和角度误差等。

如上所述，在建立这些要求后，便可使用各种各样的非接触式传感器来提供必要的精度、速度和可编程的灵活性，从而满足这些要求。