轉(zhuǎn)盤、操縱桿、恒溫器、電子轉(zhuǎn)向總成和通常用于萬(wàn)向節(jié)或機(jī)械臂的電機(jī)控制接頭等旋轉(zhuǎn)類器件都依賴于精確定義角度位置的能力。雖然可以使用機(jī)械觸點(diǎn)等方法來(lái)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)角度，但這些類型的傳感器在使用時(shí)容易磨損，并且在有污垢的情況下會(huì)降低性能?；魻栃?yīng)傳感器是一種非接觸式檢測(cè)替代產(chǎn)品，可提供更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命、更高的可靠性及角度檢測(cè)性能。

在存在角度旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，對(duì)控制器的反饋可為器件配置提供有價(jià)值的見解。這可以是來(lái)自旋鈕或方向盤的用戶輸入，也可以是電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置的精確位置控制。使用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)施此設(shè)計(jì)通常需要在旋轉(zhuǎn)體上放置一個(gè)磁體，并在附近放置一個(gè)能夠檢測(cè)磁體產(chǎn)生的磁通密度的傳感器。當(dāng)使用沿旋轉(zhuǎn)軸安裝的徑向圓柱體磁體時(shí)，使用線性霍爾效應(yīng)傳感器更容易實(shí)現(xiàn)角度監(jiān)控。

圖 1 徑向磁體

由于這種類型的磁體軸向旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)矢量的各種分量（表征磁通密度）會(huì)發(fā)生周期性變化。根據(jù)相對(duì)于磁體的位置，始終至少有兩個(gè)分量可供選擇。當(dāng)傳感器放置在與磁體表面相距適當(dāng)?shù)木嚯x時(shí)，這些分量為正弦。注意以下曲線，它們表示旋轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的每個(gè)分量。

圖 2 磁通密度與磁體角度間的關(guān)系

如果傳感器元件位于 XZ 平面，朝向 Y 方向的矢量分量為 B_y，則可以監(jiān)控傳感器元件。使用此輸入，可以根據(jù)以下關(guān)系確定最多 180° 的旋轉(zhuǎn)角度。

添加與第一個(gè)傳感器相位相差 90° 的第二個(gè)傳感器，可以將絕對(duì)角度檢測(cè)設(shè)計(jì)擴(kuò)展到 360°。

圖 3 具有 90° 相移的磁場(chǎng)分量

當(dāng)使用兩個(gè) 90° 異相的信號(hào)時(shí)，可以使用反正切函數(shù)計(jì)算角度。

設(shè)置角度計(jì)算的一種方法是使用兩個(gè)一維傳感器。對(duì)于這種方法，放置兩個(gè)傳感器時(shí)必須確保它們?cè)谖锢砩蠂@磁鐵中心間隔 90°。這可以通過將傳感器放在平面內(nèi)（與磁體的磁極共面）或平面外來(lái)實(shí)現(xiàn)。平面內(nèi)方法將傳感器放置在與磁極直接對(duì)齊的位置，因此觀察到的輸入更大，但平面外對(duì)齊所需的物理空間更小。

圖 4 使用一維霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行角度檢測(cè)的配置

90° 的機(jī)械間距可在輸出端提供所需的相移。

為了在校正這些誤差時(shí)實(shí)現(xiàn)更高精度，校準(zhǔn)非常重要。

第二個(gè)選項(xiàng)是使用 3D 位置傳感器實(shí)施設(shè)計(jì)。返回圖 2中的圖，請(qǐng)注意 Y 和 Z 分量自然地呈 90° 異相。當(dāng)使用具有多個(gè)靈敏度軸的 3D 位置傳感器時(shí)，可以使用單個(gè)器件同時(shí)監(jiān)控所需的各個(gè)磁場(chǎng)分量以進(jìn)行角度計(jì)算。

圖 5 3D 位置傳感器

在單個(gè)封裝中集成多個(gè)傳感器的好處是通道間磁場(chǎng)靈敏度更一致，并可以更大限度地減小傳感器所需的 PCB 面積。在設(shè)計(jì)此功能時(shí)，此優(yōu)勢(shì)使得多軸傳感器成為一個(gè)具有吸引力的選擇。3D 位置傳感器的另一項(xiàng)特性是集成了 CORDIC 計(jì)算器，它能夠復(fù)制反正切函數(shù)的結(jié)果并直接根據(jù)任意兩個(gè)軸的輸出數(shù)據(jù)生成角位置。

通常，此測(cè)量有三種不同的方向：同軸、平面內(nèi)和平面外（離軸）。

圖 6 使用多軸霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行角度檢測(cè)的配置

在這三種情況中，最容易實(shí)施的是同軸，磁場(chǎng)分量會(huì)自然匹配。平面內(nèi)傳感器放置通常很方便，但只有兩個(gè)可測(cè)量的磁場(chǎng)分量?！捌矫嫱狻被旧厦枋隽怂衅渌恢谩Ｔ谒腥齻€(gè)方向上都有一個(gè)不同幅度的可測(cè)量磁場(chǎng)，并且傳感器的放置位置可以根據(jù)設(shè)計(jì)的限制進(jìn)行靈活調(diào)整。

考慮到在使用平面內(nèi)或平面外方向時(shí)，在大多數(shù)位置的磁場(chǎng)分量的輸入幅度大小通常不相等。

圖 7 不相等的磁場(chǎng)分量

因此，使用反正切進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。可以通過精心放置來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配的輸入或使用數(shù)字化技術(shù)調(diào)節(jié)輸出以進(jìn)行匹配，從而糾正這一問題。TMAG5170-Q1、TMAG5170D-Q1 和 TMAG5173-Q1 等器件中內(nèi)置了這個(gè)歸一化功能，并且所有傳感器放置都實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)靈活性，而且可以通過在計(jì)算期間實(shí)施標(biāo)量調(diào)整在控制器上實(shí)現(xiàn)此功能。

有關(guān)使用線性霍爾效應(yīng)傳感器及一維或 3D 位置傳感器來(lái)測(cè)量絕對(duì)角度的更多詳細(xì)信息和指南，請(qǐng)參閱表 1 和表 2。