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MagnTek·新品 | 适用于直流无刷舵机与高级按压旋钮的差分霍尔式磁编码芯片MT6701

日期: 2020-07-06
浏览次数: 189

MT6701是麦歌恩最新推出的三轴(旋转+按压)感应磁性角度编码芯片。适用于与直流无刷舵机相关的无人机、云台、遥控模型、机器人关节等,以及与智能家电相关的高级电子旋钮场景。

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磁性角度编码器芯片在将近20年的发展历程中,经历了从早期的水平霍尔式感应、到后来的垂直霍尔式感应以及最新的各类高性能的磁阻式感应(AMR各向异性磁阻、GMR巨磁阻以及TMR隧道磁阻)等多种磁感应原理的演进。目前,高性能的磁性角度编码器应用已经是各类磁阻感应技术的天下,同时,集成了各类复杂的信号处理和校准算法的ASIC也成为了提升磁性编码器芯片整体性能不可或缺的核心部分。

而麦歌恩却从早期的磁感应技术中挖出了新宝藏,今天我们将为大家介绍一种相对古老的感应方式——差分水平霍尔式感应(霍尔器件处于芯片表面的水平面内)。

虽然在高性能的闭环步进和伺服电机应用中,这一感应方式由于天然的灵敏度较低(相比磁阻至少低10倍以上)而导致的信噪比差,最终的噪声和动态性能无法和磁阻类的角度编码器芯片媲美,但由于其天然的差分感应方式在某些应用中具有优异的抗外界磁场干扰和电磁辐射的特性而受到青睐;同时这种方式除了能够感应芯片表面的平面角度外,还可以感应芯片垂直方向的磁场变化,从而实现一个非接触式的“旋钮+按钮”的功能。

MagnTek最新推出的MT6701磁性角度编码器芯片就是基于该原理。



核心原理:差分霍尔——消除外界磁场干扰


首先我们来了解一下如下图所示的差分水平霍尔感应原理。10.jpg

图1 差分水平霍尔感应原理


01 | XY平面内的角度检测

互成90°摆放的四个水平霍尔盘,水平霍尔盘只感应垂直于芯片表面的磁场分量Bz,互在对角线上的两个霍尔盘组成一组差分对,感应到的磁场强度为Bz-(-Bz)=2Bz。这样形成了两对互成90°的差分霍尔电桥。随着在芯片上方1对极径向充磁的磁铁旋转,二对互成90°摆放的差分霍尔电桥产生了Cosθ和Sinθ的电压信号如下图所示,由于霍尔盘灵敏度比较低,此处的电压信号一般只有几mV,通过后续的放大、校准和信号处理电路的运算,可以求解得到角度θ。MT6701的角度信息θ以ABZ、PWM、模拟线性电压以及14位二进制数字绝对值的形式输出给用户。

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图2 差分水平霍尔角度感应原理


02 | 差分霍尔盘抗各个方向的磁场干扰

由于芯片上的霍尔盘阵列,只感应垂直于芯片表面的磁场。如图1所示,当1对极径向充磁的磁铁安装在芯片正上方时,从磁铁北极到磁铁南极的磁力线,正好使得芯片上成180°摆放的一对霍尔盘,一个感应到+BZ的磁场,而另一个感应到-BZ的磁场,经差分运算后得到总的感应磁场为2BZ;此时如果有X方向的干扰磁场BEX或者Y方向的干扰磁场BEY存在,霍尔盘并不会对此产生任何感应;如果有一个Z方向的干扰磁场BEZ存在,这时一个霍尔盘感应到BEZ+BZ的磁场,另一霍尔盘感应到BEZ-BZ的磁场,经差分运算后得到总的感应磁场依然为2BZ。因此差分霍尔盘设计,可以完美的消除外界任一方向上的磁场的干扰。这在很多应用中具有天然的优势。


03 | 垂直方向(Z方向)按压检测功能

除了XY平面内的角度转动检测,MT6701还集成了垂直方向(Z方向)的按压检测功能。

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这一功能利用两对成90°的电桥产生的Cosθ和Sinθ的电压信号,他们的平方和A代表了霍尔盘感应到的磁场的绝对强度:

A=ASin2θ+ ACos2θ

在芯片和磁铁之间的距离固定的情况下,无论θ角度是多少,经过计算得到的A的数值是固定的,但是当磁铁和芯片直接的距离变化之后,霍尔盘感应到的磁场大小随之变化,A也就发生了变化。正是利用了这一数学关系,MT6701实现了Z轴的按压功能,按压的阈值可以通过芯片内置的EEPROM进行编程,以方便各种应用设计。


便捷且抗干扰能力强的设计——SSI接口

MT6701提供了方便并且抗干扰能力强的SSI数字传输接口。

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图3 MT6701的SSI通信接口


MT6701提供了方便的SSI接口,相比与I²C或者SPI接口,SSI接口不需要通信命令,上位机只需要提供片选信号和时钟,即可从芯片内读取数据。MT6701在SSI接口上提供了每帧24bit的固定格式数据,其中14位的绝对角度数据,4bit的磁场状态信息位(包括弱磁,强磁,按压,速度饱和),以及多达6bit的CRC数据校验位。

6bit的CRC数据校验位,极大的提高了数据传输的抗干扰能力,很多应用中,编码器靠近电机本体或者动力线,电磁环境恶劣,信号传输极易受干扰。上位机通过6bit的校验位判断,可以极大的降低接收错误数据的概率。



MT6701的典型应用


01 直流无刷舵机

直流无刷舵机是舵机中的高端系列,广泛应用于无人机、云台、机器人关节控制等场景。

直流无刷舵机一般形式为空心杯电机,由于空间限制编码器一般放置在电机侧面,一般的磁编码器都会受到电机磁场的影响,只有差分霍尔式的磁编码器可以轻松完美的消除这一干扰。

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图4 舵机中的磁


02 基于磁编的“旋钮+按钮”应用


目前的旋钮,基本都是用传统电位器实现的,价格便宜,应用成熟。但是随着人们对智能家电类产品更美观、更方便、更可靠的追求,出现了一些用磁性角度编码器芯片替换传统电位器做旋钮的需求。


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图5 传统电位器旋钮 磁性角度编码器开关


用磁性角度编码器编芯片做旋钮有两个好处


非接触式工作,使用寿命远高于电位器。对于每时每刻都在运行的设备,一般电位器几万次的有限使用寿命会显得捉襟见肘,而磁性角度编码器的方案使用寿命和次数无关,普遍使用寿命在10年以上。

2 也是因为非接触式工作,磁铁和芯片可以分离,因此可以容易的实现防水设计,比如PCB板和旋钮(内含磁铁)之间用玻璃等材料完全隔绝,既能防水又完全不影响使用。

按压旋钮.webp.jpg

图6 MT6701实现“旋钮+按压”功能


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