基于iGMR原理角度傳感器TLE5012B應(yīng)用指南

何喜富

英飛凌科技(中國(guó))有限公司

何喜富

英飛凌科技(中國(guó))有限公司

1 TLE5012B簡(jiǎn)介

TLE5012B角度傳感器基于iGMR技術(shù)，可檢測(cè)平行于封裝表面磁場(chǎng)的360°變化，應(yīng)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)角位置檢測(cè)，如方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、電機(jī)位置等。

TLE5012B內(nèi)部集成角度計(jì)算模塊，可以將原始值(sine和cosine)進(jìn)行數(shù)字處理后輸出絕對(duì)角度，其內(nèi)部集成自動(dòng)標(biāo)定和溫度補(bǔ)償功能，在溫度范圍和壽命周期里可以達(dá)到1°精度，符合汽車級(jí)認(rèn)證，可工作在-40～150 ℃范圍。

TLE5012B具備極其精確的角度分辨率(15 bit)以及快速的信號(hào)處理能力和較短的延時(shí)/更新率，適合精確測(cè)定高動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)子位置,同時(shí)TLE5012B具有先進(jìn)的診斷功能及安全特性,確保了產(chǎn)品的高可靠性。

1.1 iGMR原理

所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得·格林貝格(Peter Grünberg)和艾爾伯·費(fèi)爾(Albert Fert)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開(kāi)來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。

圖1 巨磁阻磁性感應(yīng)層結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)材料主要有3層：參考層(RL)、普通層(NML)和自由層(FL)。參考層具有固定磁化方向，其方向不會(huì)受到外界磁場(chǎng)方向影響;普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開(kāi);自由層磁場(chǎng)方向隨著外界平行磁場(chǎng)方向的改變而改變。

巨磁阻阻值由自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角決定，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相同時(shí)，巨磁阻阻值最小。反之，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相反時(shí)，巨磁阻阻值最大。

巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。若自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率低，穿過(guò)磁性層的電子較多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之，若自旋方向和磁性材料磁化方向相反，則電子散射率高，穿過(guò)磁性層的電子較少，從而呈現(xiàn)高阻抗。

1.2 iGMR角度檢測(cè)原理

圖2所示為巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)，由兩組惠斯通電橋構(gòu)成，分別為反映外界磁場(chǎng)余弦變化的VX巨磁阻感應(yīng)單元和反映外界磁場(chǎng)正弦變化的VY巨磁阻感應(yīng)單元。VX和VY巨磁阻感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)類似，只是參考層磁化方向不同。使用全橋結(jié)構(gòu)的好處是，可以獲得兩倍信號(hào)幅值以及消除溫度效應(yīng)影響。

圖2 巨磁阻惠斯通橋

當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸上的磁鐵隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，巨磁阻感應(yīng)單元VX和VY能夠檢測(cè)出平行于其表面的外界磁場(chǎng)變化，并分別輸出余弦和正弦信號(hào)。磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)傳感器內(nèi)部 CORDIC(COordinate Rotation DIgital Computer)模塊進(jìn)行反正切計(jì)算，得到所需要角度值，最后通過(guò)不同信號(hào)協(xié)議輸出角度等信息。

2 通信協(xié)議

TLE5012B支持多種通信協(xié)議，即SSC(Synchronous Serial Communication)協(xié)議、PWM(Pulse-Width-Modulation)協(xié)議、SPC(Short-PWM-Code、兼容SENT協(xié)議)協(xié)議、HSM(Hall Switch Mode)模式以及IIF(Incremental Interface)協(xié)議。

TLE5012B SSC為三線制協(xié)議，允許雙向通信,兼容SPI協(xié)議，可以通過(guò)SSC協(xié)議讀取TLE5012B內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)(如角速度、角度原始數(shù)值、溫度等)以及配置寄存器(如解析度、自動(dòng)標(biāo)定、工作模式等)。SSC允許高速數(shù)據(jù)傳輸，波特率為8 Mb/s。一個(gè)總線上最多允許4個(gè)TLE5012B進(jìn)行通信。SSC通信距離較短，建議在30 cm以內(nèi)，所以適合板間通信。

圖3 MCU讀取角度信息

PWM通信協(xié)議為單向通信方式，解析度為12 bit，有4種工作頻率0.2 kHz、0.5 kHz、1 kHz以及2 kHz，可通過(guò)SSC接口配置工作頻率。占空比代表角度信息，其中占空比在0～6.25%以及93.75～100%區(qū)間用于診斷,在6.25～93.75%區(qū)間代表角度。PWM通信距離可到5 m。

SPC協(xié)議兼容SENT協(xié)議，連續(xù)的兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間長(zhǎng)度代表4 bit數(shù)據(jù)。不同的是SPC允許雙向通信，且通信時(shí)MCU需要給TLE5012B發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)以喚醒其傳輸角度信息。除角度信息外，還可傳輸溫度信息,可通過(guò)SSC接口配置解析度為12 bit或者16 bit。一個(gè)總線上最多允許4個(gè)TLE5012B進(jìn)行通信。SPC通信距離可到5 m。

圖4 寄存器配置

HSM模式可模擬3個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)，用于電機(jī)塊換向。HSM包含3個(gè)單向通信接口，默認(rèn)極對(duì)數(shù)為5，可通過(guò)SSC接口配置極對(duì)數(shù)等參數(shù)。

IIF協(xié)議可用于模擬光電編碼通信，包含IFA、IFB以及IFC三條單向通信信號(hào)，可以取代光電編碼器，用于高速電機(jī)位置檢測(cè)。IIF增量編碼信號(hào)為輸出占空比50%的矩形波，每一個(gè)波形代表最小角度解析度，可以通過(guò)SSC接口配置成9 bit(每一圈512個(gè)脈沖信號(hào))到12 bit(每一圈4 096個(gè)脈沖信號(hào))解析度，MCU通過(guò)計(jì)算IIF信號(hào)脈沖數(shù)可以知道電機(jī)位置信息。

TLE5012B出廠時(shí)預(yù)標(biāo)定了寄存器配置，用戶可以在不作修改或者很少修改寄存器配置情況下使用。TLE5012B主要有4種版本，即：TLE5012B E1000 SSC+IIF、TLE5012B E3005 SSC+HSM、TLE5012B E5000 SSC+PWM、TLE5012B E9000 SSC+SPC。用戶可以根據(jù)需要選擇合適版本，限于篇幅，本文主要介紹SSC和IIF協(xié)議。

2.1 SSC協(xié)議

TLE5012B SSC數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙工，因此當(dāng)和四線制SPI接口通信時(shí)，MCU SPI接口數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收引腳需要同時(shí)連接到TLE5012B data引腳上。當(dāng)TLE5012B向MCU傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MCU的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳需要拉高，反之，當(dāng)MCU向TLE5012B發(fā)送命令時(shí)，MCU的數(shù)據(jù)接收引腳需要拉高。

SSC傳輸信息包含命令、數(shù)據(jù)以及安全信息，信號(hào)傳輸時(shí)CSQ需要拉低，并提供SCK信號(hào)，可以通過(guò)SSC協(xié)議讀取以及配置TLE5012B內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)。如圖3所示為MCU通過(guò)SSC讀取TLE5012B內(nèi)部寄存器角度信息，MCU向TLE5012B發(fā)送8021H，經(jīng)過(guò)twr_delay延遲后，TLE5012B會(huì)返回角度信息及狀態(tài)信息。

如圖4所示，為MCU通過(guò)SSC配置TLE5012B內(nèi)部寄存器MOD_2。MCU發(fā)送命令5081H，修改MOD_2寄存器內(nèi)容為809H。 經(jīng)過(guò)twr_delay延遲后，TLE5012B會(huì)返回狀態(tài)信息。當(dāng)安全信息傳輸完畢后，下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸前片選信號(hào)CSQ需要退出然后再拉低。

為了保證配置信息準(zhǔn)確無(wú)誤，可以在寫(xiě)入數(shù)據(jù)前先讀取所需要配置的寄存器內(nèi)容，再配置該寄存器，最后再讀一遍配置內(nèi)容確認(rèn)是否正確。

SSC傳輸數(shù)據(jù)里安全信息包括CRC校驗(yàn)，每一組新的數(shù)據(jù)傳輸都會(huì)產(chǎn)生新的CRC校驗(yàn)。TLE5012B CRC校驗(yàn)基于J1850總線規(guī)范，需要注意的是，進(jìn)行CRC校驗(yàn)時(shí)，需要包含發(fā)送的命令以及接收到的數(shù)據(jù)。

2.2 IIF協(xié)議

TLE5012B E1000有兩種IIF工作模式，即A/B Mode以及Step/Direction Mode。

圖5所示為A/B Mode，其中IFA和IFB輸出脈沖代表角度信息，兩個(gè)信號(hào)相位相差90°，根據(jù)A相位是否超前B相位判定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，IFC代表零點(diǎn)位置。

TLE5012B E1000默認(rèn)IIF協(xié)議為A/B Mode，可以通過(guò)SSC配置為Step/Direction Mode。圖6所示為Step/Direction Mode，其中IFA輸出增量信號(hào)代表角度信息，

IFB代表方向信息，而IFC代表零點(diǎn)位置。

圖5 A/B Mode

圖6 Step/Direction Mode

TLE5012B內(nèi)部14位計(jì)數(shù)器(IIF_CNT)用于增量編碼計(jì)數(shù)，能夠記錄一整圈從0～16 383個(gè)脈沖， 可用于MCU和傳感器之間的數(shù)據(jù)同步，其取決于內(nèi)部寄存器設(shè)置(IIF解析度9～12 bit)，同步時(shí)IIF_CNT需減掉2～5個(gè)LSB數(shù)據(jù)。

當(dāng)TLE5012B E1000上電后，電機(jī)還沒(méi)有開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，TLE5012B IIF引腳會(huì)輸出一定脈沖數(shù)，此為T(mén)LE5012B E1000啟動(dòng)特性，MCU通過(guò)計(jì)算脈沖數(shù)可獲得TLE5012B起始位置絕對(duì)角度信息，即：起始位置絕對(duì)角度=脈沖數(shù)×180°/211。

起始位置脈沖最大數(shù)目在180°位置，此時(shí)有2 048個(gè)脈沖。如果IFA相位在IFB相位之前，則該角度在0°～180°之間。如果IFB相位在IFA相位之前，則角度在180°～360°之間。起始位置脈沖結(jié)束后，TLE5012B進(jìn)入正常工作模式。

3 TLE5012B設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TLE5012B用于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案，可以用于替代光電編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器或者霍爾開(kāi)關(guān)。磁鐵裝配在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，安裝有TLE5012B傳感器的PCB固定在電機(jī)上，磁鐵中心正對(duì)著位于TLE5012B中心的巨磁阻感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器能夠檢測(cè)到平行于其封裝表面的磁場(chǎng)變化。這種方案優(yōu)點(diǎn)是，電路以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、空間小。相比于光電編碼器，TLE5012B不易受灰塵、油污等污染。與基于霍爾原理的磁性角度傳感器相比，基于巨磁阻原理的TLE5012B精度更高。

為了減小由于安裝或者生產(chǎn)帶來(lái)的誤差(如PCB安裝、芯片貼片、磁鐵裝配)以及轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)等因素導(dǎo)致的額外系統(tǒng)誤差，盡量選擇直徑較大的磁鐵，且安裝時(shí)磁鐵中心盡量正對(duì)著TLE5012B芯片中心巨磁阻感應(yīng)區(qū)域。

3.2 磁路設(shè)計(jì)

TLE5012B需要工作在合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍， 在-40～150 ℃溫度范圍內(nèi)建議外部平行磁場(chǎng)強(qiáng)度為30～50 mT，因此設(shè)計(jì)磁路時(shí)需要確保工作氣隙范圍內(nèi)磁場(chǎng)滿足要求。由于巨磁阻傳感器檢測(cè)的是平行磁場(chǎng)，因此垂直于封裝表面的磁場(chǎng)BZ對(duì)巨磁阻傳感器沒(méi)有影響，可以用磁通計(jì)檢測(cè)磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖7所示。

圖7 工作磁場(chǎng)范圍

外部磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)小或者過(guò)大都會(huì)增加額外的角度誤差。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度太弱時(shí)，不足以驅(qū)動(dòng)自由層磁化方向很好地對(duì)齊外部磁場(chǎng)方向。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度太強(qiáng)時(shí)，會(huì)影響到參考層磁化方向，但是外界磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)并不會(huì)造成芯片的損壞，只是會(huì)影響檢測(cè)精度，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)精度又能夠恢復(fù)到正常范圍。

影響磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度的因素主要有磁性材料、尺寸和厚度等。為了減小誤差，在全溫度范圍內(nèi)其磁性盡可能穩(wěn)定，理論上可以選擇稀土材料如釤鈷或者釹鐵硼等，也可以選擇鐵磁性材料。綜合考慮溫度特性、磁場(chǎng)特性等，推薦使用SmCo5材料。推薦磁路設(shè)計(jì)參數(shù)如下：剩磁Br為0.9 T，充磁方向?yàn)閺较虺浯牛艠O對(duì)數(shù)為1對(duì)，直徑10 mm，厚度1.7 mm，工作氣隙(磁鐵表面距離傳感器表面)2.5 mm(確保磁場(chǎng)強(qiáng)度在工作范圍內(nèi)時(shí)傳感器可工作在更大氣隙)。

3.3 電路設(shè)計(jì)

TLE5012B E1000 版本應(yīng)用電路略——編者注。

TLE5012B和MCU相連，可以通過(guò)SSC接口或者IIF接口獲取TLE5012B角度等信息。TLE5012B E1000 IIF 接口(IFA、IFB以及IFC)默認(rèn)為push-pull接口，可通過(guò)SSC配置寄存器設(shè)置為open-drain接口，此時(shí)輸出接口和供電電源之間需相應(yīng)增加上拉電阻。

SSC和IIF協(xié)議通信距離較短，對(duì)于需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)那闆r，可以將信號(hào)進(jìn)行差分處理，一種可行的電路設(shè)計(jì)略——編者注。

4 電機(jī)位置信息

4.1 位置信息

TLE5012B能夠檢測(cè)平行于其封裝表面磁場(chǎng)的360°變化，其檢測(cè)原理為通過(guò)檢測(cè)外界磁場(chǎng)方向和芯片內(nèi)部巨磁阻感應(yīng)單元參考層磁化方向之間夾角來(lái)感應(yīng)角度。當(dāng)外部磁場(chǎng)方向如圖2所示時(shí)，TLE5012B檢測(cè)到角度為零度，需要注意的是此時(shí)反映的零點(diǎn)為磁場(chǎng)零點(diǎn)，而非電機(jī)的機(jī)械零點(diǎn)。即當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其輸出的角度是相對(duì)于磁場(chǎng)零點(diǎn)而言的，而非相對(duì)于電機(jī)的機(jī)械零點(diǎn)。

TLE5012B能夠同時(shí)反映絕對(duì)角度信息和相對(duì)角度信息。獲取絕對(duì)角度信息的方法有兩種：通過(guò)SSC方式，或者利用TLE5012B E1000啟動(dòng)特性。利用SSC方式可以獲得實(shí)時(shí)的絕對(duì)角度信息，但需要注意的是，TLE5012B E1000 啟動(dòng)特性結(jié)束后進(jìn)入正常工作模式，此時(shí)獲得的角度信息為相對(duì)角度。

4.2 零點(diǎn)位置標(biāo)定

在沒(méi)有將傳感器磁場(chǎng)零點(diǎn)和電機(jī)機(jī)械零點(diǎn)對(duì)齊之前，傳感器磁場(chǎng)零點(diǎn)并不一定等于電機(jī)的機(jī)械零點(diǎn)，因此傳感器反映的角度均是相對(duì)于磁場(chǎng)零點(diǎn)而言。如果需要標(biāo)定傳感器零點(diǎn)位置，可以通過(guò)下面兩種方式進(jìn)行。

4.2.1 SSC方式標(biāo)定零點(diǎn)

傳感器接線方式參考TLE5012B E1000版本應(yīng)電路，具體操作步驟如下：

① 將電機(jī)位置定位到所需要的機(jī)械零點(diǎn)位置。

② 通過(guò)SSC接口讀取寄存器AVAL寄存器的數(shù)值，例如假設(shè)此時(shí)AVAL里數(shù)值為1FFEH,角度值為90°。

③ 移除AVAL寄存器里3位LSB角度值，獲得12bit角度，即1FFEH移除3位LSB后變成3FFH。

④ 通過(guò)SSC接口讀取ANG_BASE寄存器數(shù)值，例如假設(shè)此時(shí)ANG_BASE數(shù)值為072H。

⑤ 將ANG_BASE數(shù)值減去步驟3里獲得新的AVAL數(shù)值(即072H-3FFH=C73H),并將該值存儲(chǔ)到MCU的EEPROM中。

⑥ 每次TLE5012B上電后，將存儲(chǔ)在MCU EEPROM里AVAL數(shù)值寫(xiě)入到TLE5012B ANG_BASE中。

通過(guò)以上步驟，便可以完成電機(jī)零點(diǎn)位置標(biāo)定。需要注意的是，由于TLE5012B不具備存儲(chǔ)能力，因此每次上電以后均需要將外部EEPROM存儲(chǔ)的AVAL數(shù)值寫(xiě)入到TLE5012B ANG_BASE中。

4.2.2 IIF方式確定零點(diǎn)

在不能通過(guò)SSC方式對(duì)TLE5012B零點(diǎn)標(biāo)定情況下，還可以利用IIF協(xié)議中IFC信號(hào)找到磁場(chǎng)零點(diǎn)，再將該信號(hào)與機(jī)械零點(diǎn)比較找到兩者之間角度偏移量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到磁場(chǎng)零點(diǎn)時(shí)，TLE5012B E1000的IFC引腳會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，代表磁場(chǎng)零點(diǎn)位置。根據(jù)磁場(chǎng)零點(diǎn)和機(jī)械零點(diǎn)相對(duì)位置信息可以求出偏移量，當(dāng)需要相對(duì)于機(jī)械零點(diǎn)的絕對(duì)位置信息時(shí)，可以通過(guò)補(bǔ)償該偏移量求得。

?士然

2015-01-25)