[参考译文] TMAG5170：集成离轴编码器与 BLDC

Michael、

感谢您在 E2E 上提出您的问题。  TMAG5170可用于偏轴对齐、以测量电机的位置。  在旋转磁体上测量的磁场分量可能具有不等的振幅、因此您需要进行一些振幅校正、以帮助线性化您的角度结果。

我建议在测量时尽量提高 SNR。  这可以通过减小传感器和磁体之间的空气间隙、使用强磁性材料并在器件内启用平均值计算来实现。  取平均值可有效降低观察到的噪声、但确实会增加采样延迟、您应注意到该延迟。  在高速下、该延迟将影响系统控制的时序。  

谢谢。

斯科特

Michael、

振幅校正是使用 GAIN_SELECTION 和 GAIN_VALUE 寄存器设置来完成的。  可以选择一个轴、通过0至2的标量值调整增益。  如果您的制造工艺是可重复的、您也许能够表征系统的最佳典型值、但要获得出色的性能、需要在线路末端校准过程中测量每个系统。 对最终测量进行校正没有关联延迟。

此表中显示了更新速率

然而、我很难对太快的速度进行量化、因为这在很大程度上取决于您可以接受的相位延迟量来满足您的需求以及所选的平均水平。  最快的采样选项是将器件设置为捕获2个轴的数据、并将平均值计算设置为1x (13.3ksps)。  您应从此处开始考虑在一个采样相位过程中、磁体将以您考虑的速度旋转多少度。   

谢谢。

斯科特

Michael、

TMAG5170将产生一个输出、可用于跟踪磁通密度矢量的 X、Y 和 Z 分量。  输出随着磁场的变化而线性变化。  通过使用生成正弦/余弦输入的配置、器件可以计算由任意两个场矢量创建的绝对角度。

相比之下、TMAG5115是锁存型器件。  它可用于跟踪磁体的旋转、并在相反磁极出现在传感器上时在高状态和低状态之间切换输出。  使用标准偶极磁体、您只能在180度间隔下检测转换发生的时间。  随着磁极数量增加、分辨率也会更高。  这可能有助于跟踪速度或检测精确的停止点。 如果刚好处于开关位置之间的中点、则很难检测轴的旋转方向、直到出现下一个转换点。

我们这里有一份应用手册、其中我们校准了低速设置下 TMAG5170的实际角度测量：

https://www.ti.com/lit/an/sbaa463a/sbaa463a.pdf

这里提供了介绍各种校准方法的文档：

https://www.ti.com/lit/an/sbaa539a/sbaa539a.pdf

我认为对于 TMAG5,170,2400 RPM 应处于合理的速度范围内。 在这种情况下、每转大约需要0.025秒。  在32x 平均值计算时、应该可以将器件配置为约600ksps、或每个样本约0.00166秒。  以这一速率、每转一圈大约可以采集15次测量数据。  由于您不需要高精度控制、您也许可以将平均值设定为默认的1x、然后每75us 就有新数据可用。   

谢谢。

斯科特

Michael、

您所指的图位于上面引用的第二份应用手册中。  此图试图显示的是磁体在传感器的采样转换周期内旋转的程度。  在5000rpm 时、磁体以每秒30,000度的速度旋转。  对于1倍的转换时间是75us、因此磁体在此期间将旋转约2.25度。  在32倍频率下、转换大约需要1.625ms、磁体的旋转时间为48.75度。

正确、这表示测量到转子位置的滞后、这对于任何系统都很常见。   妥善做法是 始终评估此延迟、然后根据转子速度进行正向计算、以确定实际位置。

我们的所有3D 传感器都具有类似的采样率、因此您将面临相同的限制。  我们有一个基于2D AMR 且速度较快的传感器、但此器件(TMAG6180)专用于同轴应用。  如果您可以准确放置传感器、那么应该有一个您可以对传感器进行定向的位置、从而以相同的幅度捕获两个磁场分量。

谢谢。

斯科特

是的、如果你运行的是高 RPM、你将需要向前计算、这应该是一个可行的解决方案。

借助 TMAG5170、您可以更灵活地进行角度测量、因为我们能够捕获所有三个磁场分量。  下面显示了我所指的一个示例：

此仿真是使用此工具完成的：

https://www.ti.com/tool/download/MAGNETIC-SENSE-ENHANCED-PROXIMITY/

以及以下设置：

在这种情况下、在与磁体之间的此间隔内、Y 和 Z 分量匹配良好。  传感器与磁体底部几乎共面、但并不完全相同。  在该位置使用 TMAG6180时、需要旋转传感器以检测 Y 和 Z 分量。 将 TMAG5170放置在此处可最大限度地减少校正增益所需的工作量、只需将器件配置为使用这些轴报告角度即可。

谢谢。

斯科特

Michael、

该工具不考虑杂散磁场。  不过、环形磁体当然可以、如果需要、您可以增加磁极数量。

我创建了另一种设置、与您的磁体要求更加匹配。  在这种情况下、您可以对 A1型号使用+/- 25mT 范围：

谢谢。

斯科特

TMAG5170可以从径向或多极磁体感应磁场。  使用多极磁体时、可能会失去解析机械装置绝对角度的能力。  也就是说、您现在有 n 个点可以映射到您测量的角度值、其中 n 是极对数。  多极环形磁体往往更昂贵、但如果需要、也可以使用这种磁体。

TMAG5110或 TMAG5111能够检测磁场的两个分量、因此您应该能够生成正交数据。  对于标准径向磁体、每转有4个输出状态、因此您可以确定您处于哪个象限。  如果您使用多极环形磁体、每对会有4个状态、从而提高分辨率。  多极环形磁体 的磁场往往较弱、因此您需要确保有足够的输入来始终触发 BOP 和 BRP。

DRV5055也可以在这里工作、但需要使用相隔90度的两个传感器来测量角度。

当您增加 ADC 转换输出的时间时、对于 DRV5055、您将需要考虑一些高速方面的注意事项。  本质上、您还将经历该转换过程中的滞后、并需要为其留出时间。   

谢谢。

斯科特

Michael、

您是对的。  如果你不使用 X 输入、输入是否饱和并不重要。  在实际器件中、您确实可以独立设置轴感应范围、但我们已经对工具进行了编码、以期望它们匹配。

此外、我们无法事先知道您打算使用哪两个轴、因此我们绘制了所有三种组合的角度结果。  您可以忽略使用饱和 X 输出的两者。  如果有用、您可以单击图例条目并隐藏不感兴趣的行。

最小输入应与最大输入相匹配。  最大输入允许用户调整灵敏度范围(即+/- 25mT、+/- 50mT 或+/- 100mT)

我认为您的方法很好。  我们通常希望 SNR 尽可能大、从而减少噪声对角度计算的影响。  然后、如果您能够管理额外的延迟、则下一步是增加平均值。

您可能注意到角度结果存在轻微的非线性、 这是由 Y 和 Z 的振幅不匹配引起的。使用实际器件、您可以调整 Y 或 Z 的灵敏度增益、这将产生理想结果。

谢谢。

斯科特

Michael、

"你是我的!  对于多极点、最终会增加观察到的磁极对的模糊性、因此会失去机制的绝对角度。  但是、对于每个极对、您可以观察到每个极对的角度变化为360度。  这可能会在一定程度上提高角分辨率、但累加还会牺牲所观察到的峰值输入振幅。  将传感器放置在更靠近多极磁体的位置容易导致理想正弦和余弦输入出现一定程度的失真、因此会产生更大的角度非线性。 或许可以提高分辨率、但这些磁体通常更昂贵。

以下是考虑径向磁体时的主要选项：

• 带 TMAG5170 (SPI)或 TMAG5173 (I2C)的同轴使用径向磁体提供完整360度旋转的绝对位置。  转换时间和通信会增加测量延迟。 同轴排列具有最不紧凑的布局。  TMAG5273也可用作成本更低/性能更低的器件。
•  具有相同传感器的偏轴。  这在解决方案尺寸上会更加紧凑、但您需要针对振幅和机械误差进行更多校正。
• 带 TMAG6180或 TMAG6181的同轴输出。  这些基于 AMR 的传感器是具有差分正弦和余弦的模拟输出。  自动增益控制会自行调整、以保持固定的输出幅度、因此该器件最好位于同轴上。  该器件为高带宽、因此测量主要受执行转换的 ADC 的限制。
• DRV5055或 TMAG5253提供比例式灵敏度、可根据 Vcc 的变化进行自我调节。  这是为了在电池电压下降时使 ADC 转换结果保持恒定。  对于全角测量、需要将两个此类器件安装在磁体周围彼此成90度角。  借助模拟输出、系统延迟也主要由 ADC 采样决定。
• TMAG5110或 TMAG5111可以将这些磁体放置在径向磁体周围的大多数位置(90度分辨率)或具有多极环形的偏轴位置(中心无磁场)。  这将具有快速响应且不需要 ADC 采样、但分辨率有限、每个极对4个位置、仅具有相对角度精度。  也就是说、您只能根据上电时的起始点来跟踪角度变化。

在您的情况下、我们需要排除同轴对齐、因此为了获得最高精度、我可能仍选择 TMAG5170或 TMAG5173。  应该在一定的位置能够自然匹配两个分量的振幅、这将有助于最大限度地减少所需的校准量。  通过最大限度地提高输入振幅并将平均值设置在最低设置、您可以以最高速率进行采样、以减少延迟。

谢谢。

斯科特

Michael、

当传感器靠近磁体放置时、径向环的磁场行为可能有点奇怪、具体取决于形状。  磁场会出现一定的失真、这并不少见。  我确实同意、最好放置在 OD 上、并为自己留出一定的磁体范围、以便磁场看起来更加圆形。

A2型号确实具有更高的输入范围(+/- 75、+/- 150和+/- 300mT)。   

一般而言、只要输入不失真、就会应用尽可能大的电流。  一旦输入失真(例如、将传感器置于离环形磁体太近的位置)、角度非线性也会增加。

谢谢。

斯科特

Michael、

非圆形磁场、但传感器输入饱和也会产生某种失真、这也会对测量的线性度产生负面影响。

将+/-25mT 范围与+/-75mT 范围进行比较、如果所有其他变量相同、则与 A1与 A2相比、您应该会看到输出代码减少3倍。   

使用该 A1型号的 XY 轴在室温下的输入参考 RMS 噪声、此处未显示平均值

A2型号也是如此

虽然从 A1变为 A2时最大 RMS 值确实会增加、但如果能够将信号增加更多的值、则应采用不太容易受到噪声误差影响的测量值、但非循环输入或输入饱和将无法如此轻松地管理。  可以通过过采样(取平均值)并考虑额外的延迟来降低噪声。  角度非线性将需要在 MCU 中进行校准校正、以解决角度误差。

谢谢。

斯科特

对于任一灵敏度选项、您都应该尝试在不使输入饱和的情况下使用尽可能多的 FS 范围。  A2的 RMS 噪声略高于 A1、但您可以为 A2提供更大的总输入信号、从而达到更好的 SNR。   

谢谢。

斯科特