創(chuàng)新技術(shù)下磁編碼芯片如何提升精度

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，大多數(shù)時(shí)候磁編碼器芯片會(huì)參與整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，它的性能會(huì)顯著影響整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的表現(xiàn)。隨著磁編碼器技術(shù)的發(fā)展，磁編碼在以往很多利用光學(xué)編碼器的應(yīng)用里展現(xiàn)出了更耐用的特性，慢慢的磁性編碼器成為工業(yè)應(yīng)用中的主流選擇。磁編碼芯片中通常是能感應(yīng)電壓變化的霍爾效應(yīng)器件，或者是磁阻器件，目前霍爾效應(yīng)器件居多，磁阻效應(yīng)的器件性能更高但是成本也更大。

磁編碼芯片噪聲、分辨率與絕對(duì)精度

作為傳感類芯片，磁編碼芯片在使用過程中肯定有配套的外部磁路，編碼芯片本身的核心性能更在很大程度上又決定了編碼器的性能。磁編碼芯片的幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，噪聲、分辨率以及絕對(duì)角度精度都是選擇磁編碼芯片時(shí)必須要考慮的指標(biāo)。

噪聲是所有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都無法繞開的問題，雖然噪聲源很多，但是基本上都有專門的電路來處理這些噪聲，對(duì)于磁編碼器芯片來說，噪聲主要是電阻和MOS的熱噪聲。噪聲的強(qiáng)弱會(huì)直接影響到分辨率。過大的噪聲將使相鄰的步進(jìn)難以分辨，也就是說有效分辨率實(shí)際上是降低了的。因此如何在各個(gè)環(huán)節(jié)中抑制噪聲是磁編碼芯片首先要考慮的問題。
絕對(duì)角度精度則定義了整個(gè)量程內(nèi)任一點(diǎn)與該點(diǎn)理想值的偏差。目前從各家磁編碼芯片在絕對(duì)角度精度上的校準(zhǔn)來看，普遍能做到±0.5°到±1°左右，裝配完成后進(jìn)行校準(zhǔn)能提高到±0.05°到±0.1°左右。

磁編碼芯片技術(shù)應(yīng)用

在磁編碼芯片上，動(dòng)態(tài)角度誤差補(bǔ)償（DAEC）是一種AMS革命性的新技術(shù)，它能夠提供接近零的輸出延遲和超快刷新率。這種技術(shù)可用于高精度角度位置檢測(cè)、高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和BLDC 電機(jī)。在傳感器工作時(shí)對(duì)角度誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，消除高轉(zhuǎn)速下的角度測(cè)量滯后。

這種補(bǔ)償直接在器件內(nèi)部進(jìn)行，不需要額外的外部補(bǔ)償系統(tǒng)。通常有些高性能應(yīng)用會(huì)使用外部補(bǔ)償系統(tǒng)，利用單獨(dú)磁敏感元件以及分立的運(yùn)放、AD轉(zhuǎn)換器和MCU等器件來扼制編碼器芯片噪聲。與這種方案相比，補(bǔ)償在傳感器內(nèi)部進(jìn)行更小巧，成本上也更可控。另一方面，外部補(bǔ)償系統(tǒng)不可避免會(huì)有采樣誤差等其他系統(tǒng)誤差，內(nèi)部補(bǔ)償則不需要這種情況。

MPS則提供了一種新的測(cè)量角度方法，其應(yīng)用的SpinAxis Hall測(cè)量技術(shù)能提供數(shù)字化瞬時(shí)角度位置。這種相位檢測(cè)方法，避免了傳統(tǒng)技術(shù)中所需要的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換或者復(fù)雜的角度計(jì)算。

SpinAxis Hall測(cè)量技術(shù)利用一組霍爾板陣列，以非常高的速度連續(xù)采樣，可以瞬間捕捉每個(gè)1μs的角度，而不需要a-d轉(zhuǎn)換或弧切線計(jì)算。這意味著能夠在更寬的磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作，為磁鐵定位提供了更大的靈活性。

英飛凌基于霍爾傳感、AMR、GMR以及TMR的傳感技術(shù)全部覆蓋，能提供種類最多的磁性角度傳感。以GMR為例，磁編碼器式GMR在高速檢測(cè)中響應(yīng)速度比霍爾和AMR都更快，避免了輸出響應(yīng)速度慢導(dǎo)致50%占空比無法實(shí)現(xiàn)的情況，如果50%占空比出現(xiàn)偏差，轉(zhuǎn)速計(jì)算和旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)也會(huì)由于時(shí)序錯(cuò)配導(dǎo)致檢測(cè)精度惡化，這一點(diǎn)上完全不用擔(dān)心。

而且英飛凌的集成磁阻（ixMR）技術(shù)將上述技術(shù)進(jìn)行融合，提供了最佳的性能和最高的質(zhì)量。同時(shí)還提供了創(chuàng)新的堆疊安裝技術(shù)，將兩個(gè)獨(dú)立的傳感組合在標(biāo)準(zhǔn)且節(jié)省空間的TDSO封裝中，該封裝僅約 1 毫米厚。感應(yīng)元件上的磁場(chǎng)更均勻，占用空間更小。

小結(jié)

磁編碼器芯片在實(shí)際使用中能達(dá)到的精度不僅取決于芯片本身，還取決于磁鐵的性能、磁鐵的安裝精度等多種因素。各廠商通過不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了不同分辨率下更優(yōu)異的性能，可以說各有所長(zhǎng)。另一方向，在更高分辨率的應(yīng)用領(lǐng)域，各廠商也都在不遺余力地通過新的校準(zhǔn)方法或技術(shù)手段來提高磁編碼絕對(duì)精度。