ZHCU845 March 2022

1 系统说明

在任何精密电机控制应用中，需要评估电机轴的角度位置以确保系统的总体控制符合预期。不正确的位置数据会影响用户安全、增大制造容差，并产生损失、导航故障或导致设备受损。因此在许多应用中，必须持续监控和评估角度位置。例如，在自主移动机器人和割草机器人中，匹配每个机轮的角旋转速度对于正确导航非常重要。

虽然可以采用各种技术来测量角度，但此设计使用了两种标准技术，分别是一维 (1D) 线性霍尔效应传感器或三维 (3D) 线性霍尔效应传感器。每种技术都面临必须解决的各种挑战。

表 1-1 角度测量方法

方法	优势	劣势
3D 霍尔效应（此设计中展示的方法）	单个传感器可捕获整个磁场灵活放置传感器，以实现紧凑的解决方案角度位置在系统上电时可用不受脏污工作条件的影响	根据范围和放置方式，磁场可能是非理想磁场磁体成本
1D 霍尔效应（此设计中展示的方法）	具有模拟输出的廉价传感器紧凑的解决方案尺寸角度位置在系统上电时可用不受脏污工作条件的影响	需要精确放置传感器以实现准确的相位对齐磁体成本
霍尔效应增量编码	捕获旋转磁体的转速和方向简便计算增量角度变化不受脏污工作条件的影响	需要多极环形磁体仅提供增量角度位置，上电时的位置未知
电感式感应角度编码	不受附近固定永磁体的影响不受脏污工作条件的影响	需要精密设计的感应线圈和金属目标
光学编码	提供具有最高分辨率的数据	解决方案尺寸往往较大必须在清洁条件下运行
步进电机脉冲计数	简单的实施过程可通过专门配置来实现精密控制	步长抖动在绝对位置中带来不确定性开始位置未知
无传感器电机控制	不需要额外感应元件	未检测停止时的电机位置低转速下效果不佳在极高转速下会难以管理需要复杂计算

由于存在灰尘、污垢和尘垢等污染物，并非所有解决方案都能使用光学编码。创建传感器密封环境的光学解决方案尺寸往往较大，无法很好地适用于紧凑设计。

对于电感式和线性霍尔效应解决方案，角度计算的前提是使用彼此异相 90° 的正弦输出。

图 1-1 正弦和余弦输入

对于此波形的输出，使用Equation1 到Equation4 来说明绝对角度。

Equation1.

O u t 1 = \sin θ

Equation2.

O u t 2 = \cos θ

Equation3.

\tan θ = \frac{O u t 1}{O u t 2}

Equation4.

θ = atan (\frac{O u t 1}{O u t 2})

如Equation4 所示，通过计算两个输出比率的反正切值来确定角度。若要在软件中简化这一计算步骤，可使用许多编码库提供的 atan2() 函数。此函数将自动考虑每个输入的符号，并应用调整以生成 ±180° 范围的输出。

另一种方法是使用带有集成 CORDIC 计算器的器件。CORDIC 算法执行的矢量旋转与二进制搜索近似，并已针对数字逻辑进行了优化。TMAG5170 和 TMAG5273 等器件可以使用器件输出生成角度输出，并最大限度地降低总系统延迟。

可以按照以下排列实施线性霍尔效应解决方案，这些排列将在传感器位置中详细说明。