新品推出背景

在現(xiàn)代工業(yè)控制及自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)和精密測(cè)量領(lǐng)域，角度磁編碼器作為一種關(guān)鍵傳感器，其核心性能直接影響著系統(tǒng)的精度與可靠性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，角度磁編碼器在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文將深入探討其工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及在工業(yè)控制及自動(dòng)化的應(yīng)用。

角度磁編碼器通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。其工作原理基于霍爾效應(yīng)或磁阻效應(yīng)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以選用不同的傳感器類型。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在軸端的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)?；魻栐虼抛柙z測(cè)到磁場(chǎng)方向的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度的模擬電路處理后，可以得到高分辨率的數(shù)字角度信號(hào)，而信號(hào)格式也是多樣的，以適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

針對(duì)角度檢測(cè)，必易微旗下興感半導(dǎo)體推薦如下四款產(chǎn)品：

表 1 | 編碼器系列產(chǎn)品總覽

圖 1 | 編碼器系列應(yīng)用功能示意圖

SL641 系列產(chǎn)品介紹

首先介紹的是極具性價(jià)比的角度編碼器 SL641 系列，其基于基于 Hall 效應(yīng)，可提供高達(dá) 14bit 的有效位精度輸出，絕對(duì)角度誤差低至 ±0.7°，重復(fù)角度誤差更可精準(zhǔn)至 ±0.05°?？蛻艨筛鶕?jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇本系列的編碼器類型。SL641 系列支持家居家電、消費(fèi)類電子和部分工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用；支持絕對(duì)角度誤差在 2000 角秒以下，重復(fù)精度為 150 角秒的相關(guān)應(yīng)用。全系列采用 Hall in chip 的工藝方式，避免額外的鍵合工藝導(dǎo)致應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，可提高應(yīng)用系統(tǒng)魯棒性，顯著降低成本，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。

圖 2 | SL641 功能框圖

核心參數(shù)與配置

3.0 ~ 5.5V 工作電壓

絕對(duì)角度分辨率：14bit

檢測(cè)角度范圍：360°

提供客戶端的自動(dòng)非線性校準(zhǔn)模式，無(wú)數(shù)據(jù)交互，自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn) ±0.7° 的 INL

可同時(shí)支持增量 ABZ、增量 UVW、PWM 絕對(duì)角度值；增量 ABZ 輸出 1 ~ 1200 脈沖/圈

增量 UVW 輸出支持 1 ~ 16 對(duì)極間任意整數(shù)對(duì)極（客戶可編程）

支持 SPI/SSI slave 通信接口在線輸出絕對(duì)角度值

最大轉(zhuǎn)速：60000RPM

響應(yīng)時(shí)間：5μs

支持 PWM 輸出，極性可選，12bit 分辨率（497/994Hz）

自我診斷功能（超速、磁場(chǎng)強(qiáng)度）

PUSH 按壓動(dòng)作檢測(cè)

支持角度延遲補(bǔ)償功能

SL642 系列產(chǎn)品介紹

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，空間往往是比成本更寶貴的資源。SL642 系列芯片，在大幅提升角度精度的同時(shí)，更進(jìn)一步地減少應(yīng)用物料和 PCB 使用面積。并且其通過(guò)高度集成的單芯片解決方案和小型化的封裝技術(shù)，為開發(fā)者提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度，使其能夠輕松應(yīng)對(duì)各種緊湊型設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

圖 3 | SL642 功能框圖

核心參數(shù)與配置

3.0 ~ 5.5V 工作電壓

角度分辨率：21bit

檢測(cè)角度范圍：360°

提供客戶端的自動(dòng)非線性校準(zhǔn)模式，無(wú)數(shù)據(jù)交互，自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn) ±0.07° 的 INL

可同時(shí)支持增量 ABZ、增量 UVW、PWM 絕對(duì)角度值

增量 ABZ 輸出 1 ~ 16384 脈沖/圈（65536 狀態(tài)）

增量 UVW 輸出支持 1~16 對(duì)極間任意整數(shù)對(duì)極（客戶可編程）

支持 SPI/SSI/RS485 多摩川通信，實(shí)時(shí)輸出絕對(duì)角度值

最大轉(zhuǎn)速：120000RPM

響應(yīng)時(shí)間：2-10μs（支持角度延遲補(bǔ)償功能）

提供絕對(duì)角度

角度編碼 ABZ 支持 1 ~ 16384 線（65536 步）；UVW 支持 1 ~ 64 對(duì)極；PWM 極性可選，16bit 分辨率（497/994Hz）

自我診斷功能（超速、磁場(chǎng)強(qiáng)度）

提供可配置的 0 ~ 360° 的零角度參考位置

SL642 相較于市面上其他產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：

亮點(diǎn)一

支持低功耗工作模式

為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的功耗需求，尤其是在解決工廠自動(dòng)化設(shè)備斷電的問(wèn)題上，芯片提供了多種靈活的低功耗工作模式，使得開發(fā)者可以根據(jù)應(yīng)用的具體需求進(jìn)行喚醒時(shí)間配置，達(dá)到相應(yīng)的功耗能力，在響應(yīng)速度和功耗之間找到最佳平衡點(diǎn)，從而最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

亮點(diǎn)二

專利的信號(hào)處理技術(shù)

全差分信號(hào)通路輸入與共模噪聲抑制

即使在噪聲較大的環(huán)境中，也能從微弱的傳感器信號(hào)中提取出純凈的角度信息，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

亮點(diǎn)三

SoC EEPROM

支持用戶自定義校準(zhǔn)參數(shù)

芯片內(nèi)部集成了非易失性存儲(chǔ)器（EEPROM），用于存儲(chǔ)用戶的校準(zhǔn)參數(shù)和配置信息。開發(fā)者可以通過(guò) SPI 接口，將針對(duì)特定傳感器和應(yīng)用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（如零點(diǎn)偏移、靈敏度、溫度補(bǔ)償系數(shù)等）寫入 EEPROM，同時(shí)也支持自動(dòng)判斷并燒錄。芯片在上電后會(huì)自動(dòng)加載這些參數(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這種用戶可編程的校準(zhǔn)功能，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和精度，使得芯片能夠適應(yīng)各種不同的傳感器和裝配公差，實(shí)現(xiàn)“一芯多用”。

亮點(diǎn)四

支持多摩川協(xié)議通信

SL642 系列芯片支持多摩川協(xié)議通信，主控 MCU 可以讀取 17/23bit 絕對(duì)角度值、芯片狀態(tài)信息，并支持低功耗模式。多摩川通信設(shè)計(jì)了容錯(cuò)功能，其高可靠性支持 2.5Mbps 碼流自適應(yīng)機(jī)制，保證采樣和解析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，可以幫助客戶節(jié)省通訊 MCU 在內(nèi)的多顆芯片以及配套的研發(fā)周期和投入。

SL601 系列產(chǎn)品介紹

依托于自主設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造能力，興感半導(dǎo)體具有成熟的 AMR 傳感器的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)。AMR（Anisotropic Magnetoresistance，各向異性磁阻）是基于材料電阻率隨磁場(chǎng)方向變化而改變的現(xiàn)象，具體是指當(dāng)電流流過(guò)置于外部磁場(chǎng)中的導(dǎo)電材料時(shí)，其電阻會(huì)隨著材料相對(duì)于磁場(chǎng)的方向發(fā)生變化。這種效應(yīng)通常出現(xiàn)在鎳鐵合金等特定金屬中，電子散射概率因自旋極化狀態(tài)的不同而有所區(qū)別，從而導(dǎo)致了各向異性磁阻現(xiàn)象。SL601 是基于此現(xiàn)象研發(fā)的獨(dú)立 AMR 傳感器芯片，輸出格式為模擬 sin/cos 信號(hào)；配合后面介紹到的 SL6422（獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理芯片），可以將外置傳感器的 sin/cos 信號(hào)進(jìn)行計(jì)算編碼輸出。

表 2 | SL601 常規(guī)電氣工作參數(shù)

圖 4 | 使用 SL601 原始信號(hào)和僅經(jīng)過(guò) offset 補(bǔ)償（未經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償）所得到的角度誤差

AMR 角度傳感器 SL601 系列包含四個(gè)磁阻惠斯通電橋，其中兩個(gè)電橋的輸出端子的電壓差將反映外部磁場(chǎng)強(qiáng)度，另外兩個(gè)惠斯通電橋的輸出電壓正比于兩倍磁場(chǎng)角度的正弦和余弦，即正比于 sin(2θ) 和 cos(2θ)，θ 為磁場(chǎng)的角度。當(dāng)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)一周，兩組模擬電壓信號(hào)（正弦、余弦）輸出的相位相差 45°，其信號(hào)周期為磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)周期的兩倍。通過(guò)對(duì)這兩組模擬電壓信號(hào)的解算可實(shí)時(shí)確定目標(biāo)磁場(chǎng)的角度位置信息，角度通過(guò) sin 和 cos 函數(shù)計(jì)算，代表相對(duì)于傳感器的 0° 到 180° 的方向。（對(duì)于單對(duì)極磁體，經(jīng)過(guò) 360° 旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電氣周期重復(fù)兩次來(lái)計(jì)算，具體計(jì)算方法詳見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)）

相比于其他類型的角度傳感器，AMR 傳感器具備固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，基于其高精度、高分辨率及高響應(yīng)速度，AMR 傳感器在現(xiàn)有角度測(cè)量方案中被認(rèn)為是最為優(yōu)越的技術(shù)選擇。

SL601 系列具體優(yōu)勢(shì)可以分為以下幾點(diǎn)：

亮點(diǎn)一

高精度與高分辨率

SL601 系列 AMR 傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的角度測(cè)量，直接輸出的模擬量具有極低的角度延遲，僅存在一階濾波模型的延遲，角度誤差小于 ±0.15°（未非線性校準(zhǔn)）。

亮點(diǎn)二

高信噪比（SNR）

SL601 系列具有更高的工作頻率，支持最高 2kHz 的輸入信號(hào)并具有極高的信噪比，在輸入完美正弦磁場(chǎng)的工況下，輸出信號(hào)質(zhì)量可以達(dá)到 17.5bit 有效位，最惡劣的高溫狀態(tài)下依舊可以保持 16.7bit 有效位。

亮點(diǎn)三

強(qiáng)磁場(chǎng)耐受度

SL601 系列在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下表現(xiàn)出色，具有更強(qiáng)的整體抗擾性，在高達(dá) 1500Gs 的磁場(chǎng)環(huán)境下依然不會(huì)喪失感應(yīng)特性。

亮點(diǎn)四

適用寬泛磁場(chǎng)范圍

SL601 系列傳感器可應(yīng)用在極寬的磁場(chǎng)范圍，這得益于其角度參考基準(zhǔn)為電流方向，且輸出信號(hào)僅與磁場(chǎng)和電流的夾角相關(guān)；而這一檢測(cè)水平磁場(chǎng)的特性，使之具有極強(qiáng)的安裝誤差容忍度，甚至可以匹配離軸、在軸安裝等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

亮點(diǎn)五

高靈敏度

應(yīng)用在飽和磁場(chǎng)條件下，SL601 系列傳感器的靈敏度可達(dá)到 13.2mV/V。

亮點(diǎn)六

小型化與低成本

AMR 傳感器在外形上更為小巧，且具備低成本優(yōu)勢(shì)；不僅能適配惡劣工況環(huán)境，還具有極強(qiáng)的可靠性與穩(wěn)定性。

SL6422 系列產(chǎn)品介紹

基于 AMR 傳感器在角度測(cè)量領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，我們推出匹配 AMR 傳感器的信號(hào)調(diào)理芯片 SL6422。SL6422 系列是集成角度傳感器的調(diào)理芯片。憑借其卓越的設(shè)計(jì)理念與先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，在精度、功耗、集成等核心維度上實(shí)現(xiàn)了全面突破，旨在為各行業(yè)應(yīng)用樹立全新的性能標(biāo)桿。它不僅僅是一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，更是一個(gè)集成了智能算法與強(qiáng)大功能的片上系統(tǒng)（SoC），能夠直接處理來(lái)自傳感元件的原始 sin/cos 信號(hào)，并輸出經(jīng)過(guò)精確計(jì)算和補(bǔ)償?shù)母弑Ｕ娼嵌葦?shù)據(jù)。這種高度集成化的方案，不僅極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了物料清單（BOM）成本和 PCB 占用空間，更重要的是，通過(guò)芯片級(jí)的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)分立方案難以企及的性能指標(biāo)，為終端產(chǎn)品帶來(lái)了前所未有的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖 5 | 獨(dú)立傳感器匹配 SL6422 的磁環(huán)角度采集解決方案

區(qū)別于市面上同質(zhì)化的角度傳感器，我們?cè)谶M(jìn)行深入的市場(chǎng)調(diào)研后，對(duì) SL6422 附加了別具匠心的功能，使其在伺服行業(yè)具有更突出價(jià)值。同時(shí)我們專為 SL6422 傳感器打造了磁環(huán)角度采集解決方案，精準(zhǔn)滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)、無(wú)框電機(jī)等前沿應(yīng)用的高要求，其核心優(yōu)勢(shì)如下：

亮點(diǎn)一

集成 CORDIC 算法，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度角度解算

芯片內(nèi)部集成了高性能的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)（CORDIC）算法硬件，這是實(shí)現(xiàn)超高精度角度解算的核心。CORDIC 算法通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的移位和加法操作，能夠高效地計(jì)算出輸入 sin 和 cos 信號(hào)的 arctan 值，從而得到精確的角度信息。相比于傳統(tǒng)的查表法或基于復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的算法，CORDIC 算法在硬件上實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的延遲。SL6422 系列芯片在保持 0.07° 絕對(duì)角度誤差的同時(shí)，延遲時(shí)間仍維持在 5μs 以內(nèi)。

亮點(diǎn)二

內(nèi)置高分辨率 ADC 與數(shù)字濾波，確保信號(hào)純凈度

為了配合 CORDIC 算法的高精度計(jì)算，芯片內(nèi)置了高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠?qū)⒔?jīng)過(guò)高精度運(yùn)放放大的模擬信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。此外，芯片還集成了可配置的數(shù)字濾波器，能夠有效濾除來(lái)自電源、電機(jī)或其他外部環(huán)境的噪聲干擾。這些濾波器可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置，在對(duì)穩(wěn)定性要求更高的靜態(tài)測(cè)量中可以啟用更強(qiáng)的濾波功能。通過(guò)高分辨率 ADC 與智能數(shù)字濾波的結(jié)合，SL6422 系列芯片將重復(fù)角度誤差控制在 0.005° 以內(nèi)，且能從源頭上保證輸入信號(hào)的純凈度，為后續(xù)角度解算提供可靠基礎(chǔ)。

亮點(diǎn)三

支持低功耗工作模式

為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的功耗需求，尤其是在解決工廠自動(dòng)化設(shè)備斷電的問(wèn)題上，芯片提供了多種靈活的低功耗工作模式，使得開發(fā)者可以根據(jù)應(yīng)用的具體需求進(jìn)行喚醒時(shí)間配置，達(dá)到相應(yīng)的功耗能力，在響應(yīng)速度和功耗之間找到最佳平衡點(diǎn)，從而最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

亮點(diǎn)四

非線性校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

非線性校準(zhǔn)支持多種應(yīng)用模式，32/64/128/256 點(diǎn)自動(dòng)/手動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)模式操作簡(jiǎn)單無(wú)需對(duì)拖系統(tǒng)，提高了應(yīng)用效率。非線性校準(zhǔn)設(shè)計(jì)解決了磁體和芯片存在的安裝誤差，同時(shí)避免了磁場(chǎng)不均勻等因素導(dǎo)致的測(cè)量曲線和理想曲線之間的線性度誤差，保證非線性誤差在 ±0.1° 范圍內(nèi)。

亮點(diǎn)五

豐富的通信接口

除了傳統(tǒng)的編碼器輸出（ABZ/UVW/PWM），芯片還提供了一個(gè)高速的 SPI（Serial Peripheral Interface）通信接口，以及一個(gè)支持多摩川協(xié)議的 RS485 通訊接口。多摩川通信設(shè)計(jì)容錯(cuò)功能，其高可靠性支持 2.5Mbps 碼流自適應(yīng)機(jī)制，保證采樣和解析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

角度傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)控制及自動(dòng)化

角度傳感器可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及自動(dòng)化中的位置測(cè)量，如機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置控制、機(jī)械臂的精確運(yùn)動(dòng)等。高精度和高可靠性使其成為工業(yè)控制及自動(dòng)化中的理想選擇。

汽車電子

在汽車電子領(lǐng)域，角度傳感器可以用于電機(jī)控制、轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)等。

航空航天

角度傳感器在航空航天領(lǐng)域可以用于高精度的角度測(cè)量，如飛行器的舵面角度檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的位置控制等。

醫(yī)療設(shè)備

在醫(yī)療設(shè)備中，角度傳感器可以用于精確控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，如手術(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制、醫(yī)療器械的定位等。

消費(fèi)電子

角度傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如家電中需要電機(jī)控制的場(chǎng)景、智能手機(jī)中的傳感器、可穿戴設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。

獨(dú)特創(chuàng)新，易于使用

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，角度傳感器的性能將不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)大。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，我們可以提供多方位的解決方案，無(wú)論是精度要求較高還是較低、代替光編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器還是 Hall 開關(guān)、采用合封還是獨(dú)立方案，我們的傳感器產(chǎn)品都可以覆蓋。未來(lái)，無(wú)論是 Hall 還是 AMR 傳感器都將會(huì)在更多角度測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為高精度位置測(cè)量提供更加可靠的解決方案，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

總結(jié)

必易微旗下興感半導(dǎo)體提供覆蓋 Hall 與 AMR 技術(shù)的全方位磁編碼器系列產(chǎn)品，可以滿足從工業(yè)控制及自動(dòng)化到消費(fèi)電子等不同場(chǎng)景下的角度測(cè)量需求。SL641 系列定位高性價(jià)比，能滿足通用電機(jī)控制與位置信號(hào)檢測(cè)需求；SL642 系列兼具 21 位高分辨率與針對(duì)工業(yè)控制環(huán)境設(shè)計(jì)的獨(dú)有功能，可代替部分光編碼器；SL601 AMR 傳感器芯片具備頂級(jí)信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)擁有抗雜散磁場(chǎng)與抗溫度變化干擾能力；SL6422 的核心功能則是為 AMR/TMR 傳感器提供專業(yè)信號(hào)調(diào)理與編碼支持。

這一系列產(chǎn)品組合技術(shù)路線覆蓋全面，能有效簡(jiǎn)化客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)，助力其在能源與電力、家居家電、工業(yè)控制及自動(dòng)化、智能物聯(lián)等領(lǐng)域，快速實(shí)現(xiàn)高可靠、高精度的位置檢測(cè)。

關(guān)于必易微

深圳市必易微電子股份有限公司（股票代碼：688045）是一家高性能模擬及數(shù)模混合集成電路供應(yīng)商，聚焦電源管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池管理等關(guān)鍵核心技術(shù)，為能源與電力、家居家電、工業(yè)控制及自動(dòng)化、智能物聯(lián)等領(lǐng)域客戶提供一站式芯片解決方案和系統(tǒng)集成服務(wù)。