原标题：用于机器人精确度的磁性位置传感——第 2 部分

　　精确的位置传感是确保一致和可靠的机器人运动控制的基本反馈形式。如果机械臂和自主移动机器人应用程序中的移动元件无法在通电时确定位置或没有收到关于绝对电机位置的反馈，它们可能会遇到系统损坏、制造产量损失和停机时间等问题。

　　因此，确保存在有助于位置跟踪的控件非常重要。磁传感器跟踪电机轴的角位置，而不直接耦合到电机轴。相反，固定在旋转轴上的磁铁向附近的传感器提供输入。

　　正如我在上一篇文章中所讨论的，机械未对准和放置偏移可能会导致系统级误差，例如会产生相位误差和角度非线性的摆动或偏心。结果表明，校正灵敏度和偏移的设备调整是重要的第一步，以确保使用磁传感技术进行可靠的角度检测。

　　除了机械挑战之外，其他与信号链相关的因素(例如灵敏度匹配和偏移)也会影响磁传感器处理输入磁场的方式，从而影响终端系统的精度。这些误差会影响任何特定传感器所需的校准程序，应予以适当考虑。

　　信号链错误

　　除了偏移和灵敏度误差之外，还有其他与信号链相关的误差会影响整个系统的精度。这些包括噪声、量化误差、传播延迟、温度漂移、滞后和串扰。研究每一个都将提供帮助为应用选择最合适的传感器所需的洞察力。

　　振幅

　　正如我在第一部分中提到的，在使用反正切求角度时，输入必须具有匹配的幅度。否则，结果将类似于尝试使用椭圆映射圆形行为。在图 1中，我们可以观察到由相等幅度的 X 和 Y 分量组成的理想圆形输入之间的差异。相反，不等幅值会导致椭圆，当用于角度计算时会产生非线性结果。

　　图 1理想输入与幅度不等的输入的比较强调了幅度匹配的重要性。资料来源：德州仪器

　　即使将传感器放置在理想位置，幅度仍然可能出现一些变化，这可能是由于用于捕获磁场的两个传感器通道的灵敏度匹配造成的。实际灵敏度增益与标称情况的差异将导致一定程度的角度误差。

　　TMAG5170等霍尔效应传感器能够对任何轴的灵敏度进行调整。如果不集成到传感器本身，控制系统的微处理器将需要管理此校正。

　　抵消

　　考虑输入参考偏移也很重要。旋转磁体和周围环境的配置方式可能会为一个或两个轴创建一个小的可测量偏移，从而导致一个不以原点为中心的完美圆，同样会导致角度误差。

　　图 2展示了与理想圆形图案相比，这种偏移对 y 轴输入的影响。

　　图 2理想输入和带有偏移的输入的比较表明了输入参考偏移的重要性。资料来源：德州仪器

　　设备级偏移将产生相同的效果。无论来源如何，您都应该通过可编程寄存器设置(可通过霍尔效应传感器获得)或通过在用于计算绝对角度的微处理器中存储和计算校正来解决此偏移。

　　噪音

　　在考虑任何角度测量的精度时，重要的是要认识到测量噪声将直接影响角度计算的质量。假设系统中的噪声量是可预测的，限制与噪声相关的测量误差的最简单方法是最大化信噪比 (SNR)。随着任何测量中 SNR 的增加，任何样本的最坏情况角度误差都将遵循图 3所示的趋势。

　　图 3角度误差与输入 SNR 的关系突出了 SNR 在限制与噪声相关的测量误差方面的重要作用。资料来源：德州仪器

　　降低 SNR 的一种方法是增加采样。过采样和平均的好处是可以有效地将观察到的噪声衰减 √n。例如，当使用等效输入信号对四次测量进行平均时，测量的有效均方根噪声将减少二分之一。过采样可能难以在具有高转速的系统中实现，因为在每个采样期间电机角度会有所不同。增加的传播延迟将导致计算出的系统角度出现固定偏移。

　　解决 SNR 的另一种方法是增加输入信号幅度，您可以通过多种方式使用磁传感器来实现。任何永磁体的磁通密度与离磁体距离的平方成反比。传感器和磁铁之间气隙距离的变化会对输入幅度产生重大影响。但是，请确保避免使传感器输入饱和。霍尔效应传感器通常具有最大线性输入范围，任何超出该区域的信号都会导致传感器输出严重失真。

　　也可以通过改变磁性材料等级来增加磁通密度。例如，如果使用 N35 级钕磁铁，请考虑使用 N42 级或 N52 级磁铁。

　　一些传感器使用称为集中器的铁磁结构来帮助将磁场引导至传感元件。使用这种结构来引导更大量的磁通量通过传感元件，使得在类似范围内检测到比其他方式更大的输入信号成为可能。

　　量化误差

　　量化误差是将模拟信号转换为数字格式的结果。数据转换器中可用的位数将直接影响测量精度。考虑图 4a 和图 4b，它们显示了 8 位和 16 位转换器的输出。对于任何给定的样本，最大误差约为最低有效位 (LSB) 的二分之一，这会在最终测量中产生一些不确定性。图 4中的误差估计假设使用全尺寸输入来计算结果角度，并证明量化作为最佳情况的重要性。

　　图 4显示了使用 8 位 (a) 和 12 位 (b) 转换时量化误差的影响。资料来源：德州仪器

　　更高的位数转换将导致角度计算期间的不确定性显着降低，并最终产生更高精度的电机控制。

　　传播延迟

　　任何传感器的传播延迟都会影响磁场转换的实时精度。传感器必须对输入刺激做出响应，才能为微控制器产生有用的结果。随着电机速度的增加，传播延迟将导致与电机速度成比例的角度误差。将此延迟与已知的电机速度一起应用以预测角位置可以帮助控制器及时采取行动，以避免最终驱动位置出现不必要的过冲。

　　温度漂移

　　任何磁铁的一个重要特性是温度漂移。众所周知，磁铁的磁场会随着温度的升高而减弱。这种变化发生的程度可能因磁性材料而异。表 1列出了一些典型值。

　　表 1显示了常见磁性材料的温度系数。资料来源：德州仪器

　　为了抵消这种减弱的磁场强度，使用温度补偿的传感器会有所帮助，该温度补偿的幅度与这种效应相同，但在正方向上。例如，TMAG5170 和TMAG5273等霍尔效应传感器具有 0%/°C、+0.12%/°C 和 +0.2%/°C 的可编程温度补偿设置，有助于抵消磁体的漂移并有助于稳定系统在所有工作温度下。

　　滞后

　　磁滞是一种效应，它会导致基于磁体旋转方向的输出信号幅度变化。虽然磁集中器具有为传感元件收集更多磁通量的优点，但它也往往会受到这种影响的负面影响。它是由集中器本身的临时磁化引起的，正如通常称为 BH 曲线的磁滞回线所描述的那样，如图 5 所示。BH 曲线描述了铁磁材料在暴露于变化的外部磁场时的剩磁。

　　图 5显示了铁磁材料的示例 BH 曲线。资料来源：德州仪器

　　对于受磁滞影响的材料，材料中的一些磁偶极子可以保持由外部磁场的存在引起的对齐，这会影响基于旋转磁体先前状态的传感器处的可观察输入。鉴于每种技术都涉及复杂的内部结构，隧道磁阻和巨磁阻传感器容易产生磁滞。

　　滞后通常需要校准测量，通过顺时针和逆时针旋转磁铁来为任一方向建立适当的校正。

　　跨轴灵敏度误差

　　跨轴灵敏度误差是设备级误差，其中一个数据通道的输入耦合到相邻传感器通道的附近电路，导致传感器输入的非线性。在具有平行传感结构的单个封装中具有多个传感元件的传感器中，交叉轴灵敏度误差尤其令人担忧。正弦输入的任何失真都会导致周期性角度误差。此外，使用磁集中器的传感器也往往会受到串扰增加的影响。

　　交错通道测量的传感器通过单个转换器多路复用测量以获得串行结果，从而有效地消除了这种影响。这种方法的权衡是增加了传播延迟。同时采样的传感器的设计应尽量减少任何通道间的相互作用。否则，最终用户有必要通过应用预测每个输入通道对其他场组件的影响的复杂校正算法来表征传感器输出测量中观察到的串扰。

　　围绕错误进行规划

　　在为机器人控制或其他电动功能配置角度编码器时了解各种错误来源可以帮助您尽早取得成功。围绕测量系统固有的误差进行规划，使您能够始终采取有助于达到最佳位置公差的措施。此外，采取措施防止过多的噪声或量化误差将提高绝对位置计算的分辨率，从而实现更可重复和更稳健的机器人控制。

　　我还建议进行热测试以确认在所有工作条件下的可靠运行。对于无法支持复杂校准程序的系统，选择不易产生串扰或滞后的组件将简化实现峰值性能所需的步骤。对于所有角度传感系统，在设计过程开始时仔细评估信号链错误可以帮助您建立成功的项目流程。

　　Scott Bryson 是德州仪器 (TI) 位置传感设计的应用工程师。