新型霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)位置傳感

一類(lèi)新的霍爾傳感器能夠在單點(diǎn)感應(yīng)磁通量的所有三個(gè)分量。

VINCENT M. HILIGSMANN,
MELEXIS MICROELECTRONIC SYSTEMS

在霍爾效應(yīng)傳感器上增加集成磁場(chǎng)集中器（ IMC ）可以實(shí)現(xiàn)高精度 360° 旋轉(zhuǎn)位置傳感。三軸霍爾技術(shù)結(jié)合了集成磁場(chǎng)集中器和高精度、非接觸式的高性?xún)r(jià)比小型旋轉(zhuǎn)位置傳感器。 Melexis 的 MLX90316 是第一款三軸系列產(chǎn)品，旨在解決長(zhǎng)期困擾 360° 位置傳感的問(wèn)題。

工作原理
普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應(yīng)垂直于 IC 表面的磁通量。而三軸霍爾傳感器能夠在單點(diǎn)感應(yīng)到磁通量的所有三個(gè)分量。

其實(shí)現(xiàn)方法是在十字形兩對(duì)平面霍爾片的中心位置處放置一個(gè)直徑 200µm 、厚 25µm 的 IMC ，起到傳感作用的是霍爾片（圖 1A ）。

	> 圖 1. 三軸霍爾傳感器 （ A ）頂視圖顯示了 IMC （黃色）和平面霍爾片（藍(lán)色）。
	沿三軸傳感器一個(gè)軸方向的橫截面（ B ）顯示了 IMC 和平面霍爾片以及磁力線。

IMC 是非晶材料，在后加工過(guò)程中，利用光刻和刻蝕技術(shù)在晶片上沉積而成。

IMC 將平行于芯片表面的磁通量（ B // ）轉(zhuǎn)換為正交分量（ B ⊥ ），這一分量由下面的霍爾片進(jìn)行感應(yīng)（圖 1B ）。只要 IMC 材料沒(méi)有達(dá)到飽和，這種轉(zhuǎn)換就是線性的。平行磁通量大于 70mT 時(shí)出現(xiàn)飽和，材料飽和會(huì)影響傳感器的線性度，但并不是不可逆的。磁通量回到正常范圍后，恢復(fù)線性特性。 IMC 不存在磁滯現(xiàn)象。

每一對(duì)霍爾片直接或者通過(guò) IMC 結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量其上的磁通量。提取出每一對(duì)霍爾片的信號(hào)后，可以低償磁通量的正交分量（即 B Z ），留下平行分量（即 B X 和 B Y ）。增加信號(hào)可以消除水平分量；因此，只感應(yīng)正交分量。這樣，通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，就可以測(cè)得磁通量的所有三個(gè)分量。這就是三軸霍爾的得名。

三軸霍爾器件的運(yùn)轉(zhuǎn)
作為非接觸旋轉(zhuǎn)位置傳感器 IC ， MLX90316 只使用旋轉(zhuǎn)磁鐵在 IC 上磁通量的平行分量（即 B X 和 B Y ）。

圖 2 的結(jié)構(gòu)框圖顯示了原始霍爾信號(hào) V X 和 V Y 在數(shù)字化之前，先通過(guò)多路復(fù)用斬波放大 。

基于微控制器的數(shù)字信號(hào)處理（ DSP ）內(nèi)核進(jìn)一步處理信號(hào)，得到角度信息。角度（ α ）輸出為模擬信號(hào)（通過(guò) DAC 之后）、數(shù)字 PWM 或者串行信號(hào)。

當(dāng)徑向磁鐵（通過(guò)圓形磁鐵平面的磁場(chǎng)）在 IC （圖 3 ）上面旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通分量 B X 和 B Y 將產(chǎn)生兩個(gè)正交的正弦波（圖 4 ）， B X 正比于 cosine(α) ， B Y 正比于 sine(α) 。

原始霍爾信號(hào) V X 和 V Y 分別與 B X 和 B Y 成正比。放大后， MLX90316 的嵌入式 DSP 執(zhí)行以下運(yùn)算，得到角度信息：

由于 MLX90316 直接輸出其上旋轉(zhuǎn)磁鐵的角度位置（最大 360° ），實(shí)際上就是傳感器 IC 的旋轉(zhuǎn)位置。

方程 1 突出了三軸霍爾技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵特性：放大后，兩路霍爾信號(hào)分開(kāi)；對(duì)兩路信號(hào)的匹配偏差進(jìn)行補(bǔ)償，不會(huì)影響輸出角度的精度。三軸霍爾 IC 不受磁鐵熱系數(shù)的影響，氣隙也不會(huì)改變，而普通霍爾技術(shù)直接受到這些偏差的影響。 MLX90316 還帶有 EEPROM ，存儲(chǔ)與芯片功能和輸出特性相關(guān)的參數(shù)，模塊安裝后還可以調(diào)整輸出傳輸特性。

旋轉(zhuǎn)位置傳感器的性能
任何位置傳感器的主要品質(zhì)因數(shù)是線性誤差，它包括與理想輸出傳輸特性（即線性）相關(guān)的所有偏差。這些偏差涉及到電氣、機(jī)械、磁場(chǎng)、熱效應(yīng)和器件老化等問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)位置傳感器的性能主要受到 IC 固有線性誤差和傳感器模塊組件引入的其他誤差的影響。

IC 固有誤差 。要評(píng)估 IC 的性能，由于 V X 和 V Y 并不與 B X 和 B Y 完全成正比，因此，需要考慮理想公式的偏差（方程 1 ）：

其中， V X0 和 V Y0 反映了原始信號(hào)的失調(diào)， A X 和 A Y 反映了兩個(gè)通道的靈敏度失配， β 是垂直（即正交）誤差。

結(jié)果得到的線性誤差由方程 3 給出。

IC 使用 EEPROM 中設(shè)置的補(bǔ)償參數(shù)來(lái)降低線性誤差。圖 5 顯示了補(bǔ)償后，殘余線性誤差每一分量的影響， MLX90316 數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

> 圖 5. （ A ）是一個(gè)周期內(nèi)失調(diào)影響最大時(shí)的典型曲線 （ B ）是兩個(gè)周期內(nèi)的靈敏度失配 （ C ）是兩個(gè)周期內(nèi)的正交性

補(bǔ)償后，除了線性誤差之外，還要考慮其他三種影響：

• 溫度影響。溫度主要影響失調(diào)，在熱失調(diào)漂移規(guī)范中，它對(duì)誤差預(yù)算的影響與圖 5A 所示的方式相似。靈敏度熱系數(shù)失配對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)是 0.1° 。
• 原始信號(hào)非線性。如果原始信號(hào)本身帶有非線性，它將影響角度線性誤差，如圖 6 所示。一旦 IMC 開(kāi)始飽和后，就可以觀察到這種非線性。在正常范圍內(nèi)，非線性的貢獻(xiàn)小于 0.1° 。
• 磁滯。非晶 IMC 結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生能夠測(cè)量到的磁滯。因此，可以認(rèn)為磁滯誤差是零（或者非常小）。

機(jī)械誤差 。機(jī)械設(shè)計(jì)需要將移動(dòng)部分（例如，軸）、磁鐵和 IC 裝配到同一外殼中。除了 IC 線性誤差外，旋轉(zhuǎn)位置傳感器的誤差預(yù)算還需要考慮機(jī)械和磁鐵結(jié)構(gòu)的影響。主要貢獻(xiàn)來(lái)自于磁鐵圍繞其中心旋轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)于感應(yīng)單元的徑向偏心。

從經(jīng)驗(yàn)上，要得到小于 0.3° 的線性誤差（該誤差來(lái)自磁鐵與軸的偏離），磁鐵直徑應(yīng)比最大偏心大 20 倍以上（圖 7 ）。

盡管氣隙變化不會(huì)影響線性誤差，但是磁鐵傾斜——與 IC 平面的偏心相結(jié)合后，將會(huì)引入明顯的誤差。

三軸霍爾傳感器 MLX90316 簡(jiǎn)化了非接觸旋轉(zhuǎn)位置傳感器的設(shè)計(jì)。三軸霍爾技術(shù)可以取代電感和磁阻技術(shù)，替換傳統(tǒng)的電阻接觸式分壓計(jì)。該技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn) 1D （例如，線性位置傳感器）、 2D （例如，旋轉(zhuǎn)位置傳感器）和 3D （例如，操縱桿位置傳感器）傳感器。