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    MagnTek·新品 | 適用于直流無刷舵機與高級按壓旋鈕的差分霍爾式磁編碼芯片MT6701

    2021-03-10
    閱讀: 1550
    發布者: 無錫邁德爾智能傳感技術有限公司

    MT6701是麥歌恩最新推出的三軸(旋轉+按壓)感應磁性角度編碼芯片。適用于與直流無刷舵機相關的無人機、云臺、遙控模型、機器人關節等,以及與智能家電相關的高級電子旋鈕場景。

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    磁性角度編碼器芯片在將近20年的發展歷程中,經歷了從早期的水平霍爾式感應、到后來的垂直霍爾式感應以及最新的各類高性能的磁阻式感應(AMR各向異性磁阻、GMR巨磁阻以及TMR隧道磁阻)等多種磁感應原理的演進。目前,高性能的磁性角度編碼器應用已經是各類磁阻感應技術的天下,同時,集成了各類復雜的信號處理和校準算法的ASIC也成為了提升磁性編碼器芯片整體性能不可或缺的核心部分。

    而麥歌恩卻從早期的磁感應技術中挖出了新寶藏,今天我們將為大家介紹一種相對古老的感應方式——差分水平霍爾式感應(霍爾器件處于芯片表面的水平面內)。

    雖然在高性能的閉環步進和伺服電機應用中,這一感應方式由于天然的靈敏度較低(相比磁阻至少低10倍以上)而導致的信噪比差,最終的噪聲和動態性能無法和磁阻類的角度編碼器芯片媲美,但由于其天然的差分感應方式在某些應用中具有優異的抗外界磁場干擾和電磁輻射的特性而受到青睞;同時這種方式除了能夠感應芯片表面的平面角度外,還可以感應芯片垂直方向的磁場變化,從而實現一個非接觸式的“旋鈕+按鈕”的功能。

    MagnTek最新推出的MT6701磁性角度編碼器芯片就是基于該原理。


    | 核心原理:差分霍爾——消除外界磁場干擾

    首先我們來了解一下如下圖所示的差分水平霍爾感應原理。10.jpg

    圖1 差分水平霍爾感應原理


    01 | XY平面內的角度檢測

    互成90°擺放的四個水平霍爾盤,水平霍爾盤只感應垂直于芯片表面的磁場分量Bz,互在對角線上的兩個霍爾盤組成一組差分對,感應到的磁場強度為Bz-(-Bz)=2Bz。這樣形成了兩對互成90°的差分霍爾電橋。隨著在芯片上方1對極徑向充磁的磁鐵旋轉,二對互成90°擺放的差分霍爾電橋產生了Cosθ和Sinθ的電壓信號如下圖所示,由于霍爾盤靈敏度比較低,此處的電壓信號一般只有幾mV,通過后續的放大、校準和信號處理電路的運算,可以求解得到角度θ。MT6701的角度信息θ以ABZ、PWM、模擬線性電壓以及14位二進制數字絕對值的形式輸出給用戶。

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    圖2 差分水平霍爾角度感應原理


    02 | 差分霍爾盤抗各個方向的磁場干擾

    由于芯片上的霍爾盤陣列,只感應垂直于芯片表面的磁場。如圖1所示,當1對極徑向充磁的磁鐵安裝在芯片正上方時,從磁鐵北極到磁鐵南極的磁力線,正好使得芯片上成180°擺放的一對霍爾盤,一個感應到+BZ的磁場,而另一個感應到-BZ的磁場,經差分運算后得到總的感應磁場為2BZ;此時如果有X方向的干擾磁場BEX或者Y方向的干擾磁場BEY存在,霍爾盤并不會對此產生任何感應;如果有一個Z方向的干擾磁場BEZ存在,這時一個霍爾盤感應到BEZ+BZ的磁場,另一霍爾盤感應到BEZ-BZ的磁場,經差分運算后得到總的感應磁場依然為2BZ。因此差分霍爾盤設計,可以完美的消除外界任一方向上的磁場的干擾。這在很多應用中具有天然的優勢。


    03 | 垂直方向(Z方向)按壓檢測功能

    除了XY平面內的角度轉動檢測,MT6701還集成了垂直方向(Z方向)的按壓檢測功能。

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    這一功能利用兩對成90°的電橋產生的Cosθ和Sinθ的電壓信號,他們的平方和A代表了霍爾盤感應到的磁場的絕對強度:

    A=ASin2θ+ ACos2θ

    在芯片和磁鐵之間的距離固定的情況下,無論θ角度是多少,經過計算得到的A的數值是固定的,但是當磁鐵和芯片直接的距離變化之后,霍爾盤感應到的磁場大小隨之變化,A也就發生了變化。正是利用了這一數學關系,MT6701實現了Z軸的按壓功能,按壓的閾值可以通過芯片內置的EEPROM進行編程,以方便各種應用設計。


    | 便捷且抗干擾能力強的設計——SSI接口

    MT6701提供了方便并且抗干擾能力強的SSI數字傳輸接口。

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    圖3 MT6701的SSI通信接口


    MT6701提供了方便的SSI接口,相比與I2C或者SPI接口,SSI接口不需要通信命令,上位機只需要提供片選信號和時鐘,即可從芯片內讀取數據。MT6701在SSI接口上提供了每幀24bit的固定格式數據,其中14位的絕對角度數據,4bit的磁場狀態信息位(包括弱磁,強磁,按壓,速度飽和),以及多達6bit的CRC數據校驗位。

    6bit的CRC數據校驗位,極大的提高了數據傳輸的抗干擾能力,很多應用中,編碼器靠近電機本體或者動力線,電磁環境惡劣,信號傳輸極易受干擾。上位機通過6bit的校驗位判斷,可以極大的降低接收錯誤數據的概率。


    | MT6701的典型應用

    01 | 直流無刷舵機

    直流無刷舵機是舵機中的高端系列,廣泛應用于無人機、云臺、機器人關節控制等場景。

    直流無刷舵機一般形式為空心杯電機,由于空間限制編碼器一般放置在電機側面,一般的磁編碼器都會受到電機磁場的影響,只有差分霍爾式的磁編碼器可以輕松完美的消除這一干擾。

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    圖4 舵機中的磁


    02 | 基于磁編的“旋鈕+按鈕”應用

    目前的旋鈕,基本都是用傳統電位器實現的,價格便宜,應用成熟。但是隨著人們對智能家電類產品更美觀、更方便、更可靠的追求,出現了一些用磁性角度編碼器芯片替換傳統電位器做旋鈕的需求。

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    圖5 傳統電位器旋鈕 磁性角度編碼器開關


    用磁性角度編碼器編芯片做旋鈕有兩個好處


    1 非接觸式工作,使用壽命遠高于電位器。對于每時每刻都在運行的設備,一般電位器幾萬次的有限使用壽命會顯得捉襟見肘,而磁性角度編碼器的方案使用壽命和次數無關,普遍使用壽命在10年以上。

    2 也是因為非接觸式工作,磁鐵和芯片可以分離,因此可以容易的實現防水設計,比如PCB板和旋鈕(內含磁鐵)之間用玻璃等材料完全隔絕,既能防水又完全不影響使用。

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    圖6 MT6701實現“旋鈕+按壓”功能


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