一种低功率的转数测量技术

简介

无论是工业自动化和机器人技术，还是汽车应用中的电动助力转向 (EPS) 和电机位置测量，许多应用都需要监测旋转物体的角度。要设计一种成功的、可满足此类应用需求的角度测量系统，必须依照用户的要求进行。本文以熄火状态下汽车系统中的 A1339 角度传感器 IC为例，介绍了电池供电应用中如何在多任务模式下运行的传感器系统中实现转数测量(角度测量)。

A1339角度传感器

作为Allegro 最快速的0°~360°角度传感器，A1339 能够基于环形垂直霍尔矩阵(CVH)技术来提供非接触式的高分辨率角度信息。它具有包括下列功能的片上系统 (SoC) 架构：CVH 前端、数字信号处理、SPI、ABI/UVW 和 PWM 输出。它包括片上 EEPROM，能够支持多达100次的读/写，可用于灵活的下线参数校准程。

A1339 非常适合用于要求进行高速 0°至 360°角度测量的汽车应用，例如电动助力转向、旋转式换档器 (PRNDL)、安全带张紧器和油门系统。A1339 角度传感器 IC 器件设计用于支持各种有应用，而且有多种工作模式，可以按照输出模式或功耗进行设置。

熄火状态下的汽车系统

部分汽车角度感应应用要求在熄火状态下仍然具备角位置跟踪能力。在熄火状态下，车内的大部分稳压器都不再运行。因此，必须在熄火状态下仍然可以运行的传感器通常直接由汽车电瓶 (12 V) 供电，此类应用包括安全带被动安全系统、EPS 电机位置等等。

通常情况下，这些电机和安全带系统通过齿轮连接，因此角度传感器 IC 需要计算多个角度传感器旋转。为此，A1339中采用了可以计算磁体旋转圈数的电路。当传感器 IC 连接到汽车电池时，它们还必须具有低功耗模式，以实现高效的电池使用。即使当车辆处于熄火状态时，传感器 IC 仍然必须跟踪磁体的转数 (TC) 。即使是设置到低功率模式时，A1339 仍然可以监控并持续跟踪 TC。这样可以保证系统可以在使用 A1339 时无论系统处于点火模式还是熄火模式都可以准确而且持续地跟踪方向盘的位置或安全带的张紧度。

但在之前的传统设计上，这种熄火模式要求需要通过结合相对复杂的机械和电子组件才能够实现。因此A1339 降低了系统复杂程度，并通过执行绝对角度测量和 转数跟踪而减少了多个系统组件，同时可以降低车辆在熄火状态下的电瓶功耗 (仅仅70 μA)。

图 1：A1339用于转动计数的示例

通过 SPI 或曼彻斯特接口，A1339 能够报告直接角度输出(通过选定的输出接口报告的 12/15 位数字角度输出)或转动计数 (TC) 输出，TC 输出是磁体目标在顺时针或逆时针方向转动的圈数的量化跟踪计数。

A1339 可以提供正常功率模式、低功率模式和超低功率运输模式。

正常功率模式

A1339 专门针对电池供电的应用设计，在这些应用中跟踪目标旋转的任务可以分配到两种任务模式中的一种。第一种工作模式可描述为角度跟踪模式，传感器 IC 会跟踪全带宽输出并以全分辨率提供角度输出测量结果(这是 A1339 的正常功率模式)。

在正常功率模式中，IC 消耗最大电流(通常为 12 mA—请参阅 A1339 数据表中的正常模式供电电流规格了解具体数据)，以支持全部的功能集并以内部平均设置 (ORATE) 中选择的最高频率更新角度输出寄存器(请参阅 A1339 数据表参考了解更多详细信息)。

低功率模式

第二种工作模式(低功率模式)可以视为转数跟踪模式。这一模式中，传感器 IC 不需要以全分辨率跟踪角度，跟踪目标的转动计数值足以。

在低功率模式 (LPM) 中，IC 不提供 SPI、PWM、UVW/ABI 或曼彻斯特接口的角度读数，大多数模拟和数字电路都不通电，传感器 IC 周期性地在两个不同的状态之间循环。大多数情况下，传感器 IC 保持在较低功率静态电流“睡眠”状态 (ICC < 70 μA)。在这种状态下，电源从模拟换能器移除，不会发生角度测量。

传感器 IC 定期进入“唤醒”状态，通过降低的功率信号路径监测磁体位置，并更新转数计数 (ICC ≈ 7 mA)。用户可以根据具体应用通过对片上 EEPROM 存储器进行编程来调节低功率模式运行的睡眠时间。

SPI 输入引脚(MOSI、SCLK、CS)被用作 LPM 的主判优器。当所有三个引脚均为低电平至少 60μs 时，传感器 IC 将进入低功率模式(“唤醒”状态)。ABI 和 PWM 引脚是三态的，并且大多数数字和模拟电路都关断。如果满足条件 [BT1]，则传感器 IC 将进入“睡眠”状态，并且周期性地在“睡眠”和“唤醒”状态之间循环，以监视磁体的位置并更新转向跟踪。

WAKE 引脚用于从外部强制“唤醒”[BT2] 状态。WAKE 引脚达到可编程阈值以上时，传感器 IC 将进入跟踪“唤醒”状态并监视位置的转弯。同样，如果观察到过大的 RPM，则传感器 IC 将进入“唤醒”状态，以防止错过磁旋转。

运输模式

某些由电池供电的应用要求在长期储存和/或运输过程中 IC 保持极低的功耗(例如新车从装配线运输到经销商的过程中)。为了满足这一需求，A1339 提供了超低功率模式，称为运输模式。运输模式用于将 A1339 设置到深度睡眠状态，保持极低的功耗。在这一模式中，传感器 IC 不会跟踪角度或转动计数。通常情况下，在运输模式中每颗 IC 晶片的电流消耗量仅为 45 μA。

表1：模式状态

结论

除了提供非接触式磁体角度感应的标准优点外，A1339 还可以在要求低功耗的严苛的电池供电(包括汽车)系统中运行。最后，A1339 可以在正常功率和低功率模式下跟踪转动计数，可以完美实现对复杂机械设计的简化，从而实现在熄火状态下跟踪磁体目标位置的同时不牺牲系统的整体稳健性和可靠性。