簡介
無論是工業(yè)自動化和機器人技術，還是汽車應用中的電動助力轉向 (EPS) 和電機位置測量，許多應用都需要監(jiān)測旋轉物體的角度。要設計一種成功的、可滿足此類應用需求的角度測量系統(tǒng)，必須依照用戶的要求進行。本文以熄火狀態(tài)下汽車系統(tǒng)中的 A1339 角度傳感器 IC為例，介紹了電池供電應用中如何在多任務模式下運行的傳感器系統(tǒng)中實現(xiàn)轉數(shù)測量(角度測量)。
A1339角度傳感器
作為Allegro 最快速的0°~360°角度傳感器，A1339 能夠基于環(huán)形垂直霍爾矩陣(CVH)技術來提供非接觸式的高分辨率角度信息。它具有包括下列功能的片上系統(tǒng) (SoC) 架構：CVH 前端、數(shù)字信號處理、SPI、ABI/UVW 和 PWM 輸出。它包括片上 EEPROM，能夠支持多達100次的讀/寫，可用于靈活的下線參數(shù)校準程。
A1339 非常適合用于要求進行高速 0°至 360°角度測量的汽車應用，例如電動助力轉向、旋轉式換檔器 (PRNDL)、安全帶張緊器和油門系統(tǒng)。A1339 角度傳感器 IC 器件設計用于支持各種有應用，而且有多種工作模式，可以按照輸出模式或功耗進行設置。
熄火狀態(tài)下的汽車系統(tǒng)
部分汽車角度感應應用要求在熄火狀態(tài)下仍然具備角位置跟蹤能力。在熄火狀態(tài)下，車內(nèi)的大部分穩(wěn)壓器都不再運行。因此，必須在熄火狀態(tài)下仍然可以運行的傳感器通常直接由汽車電瓶 (12 V) 供電，此類應用包括安全帶被動安全系統(tǒng)、EPS 電機位置等等。
通常情況下，這些電機和安全帶系統(tǒng)通過齒輪連接，因此角度傳感器 IC 需要計算多個角度傳感器旋轉。為此，A1339中采用了可以計算磁體旋轉圈數(shù)的電路。當傳感器 IC 連接到汽車電池時，它們還必須具有低功耗模式，以實現(xiàn)高效的電池使用。即使當車輛處于熄火狀態(tài)時，傳感器 IC 仍然必須跟蹤磁體的轉數(shù) (TC) 。即使是設置到低功率模式時，A1339 仍然可以監(jiān)控并持續(xù)跟蹤 TC。這樣可以保證系統(tǒng)可以在使用 A1339 時無論系統(tǒng)處于點火模式還是熄火模式都可以準確而且持續(xù)地跟蹤方向盤的位置或安全帶的張緊度。
但在之前的傳統(tǒng)設計上，這種熄火模式要求需要通過結合相對復雜的機械和電子組件才能夠?qū)崿F(xiàn)。因此A1339 降低了系統(tǒng)復雜程度，并通過執(zhí)行絕對角度測量和 轉數(shù)跟蹤而減少了多個系統(tǒng)組件，同時可以降低車輛在熄火狀態(tài)下的電瓶功耗 (僅僅70 μA)。
圖 1：A1339用于轉動計數(shù)的示例
通過 SPI 或曼徹斯特接口，A1339 能夠報告直接角度輸出(通過選定的輸出接口報告的 12/15 位數(shù)字角度輸出)或轉動計數(shù) (TC) 輸出，TC 輸出是磁體目標在順時針或逆時針方向轉動的圈數(shù)的量化跟蹤計數(shù)。
A1339 可以提供正常功率模式、低功率模式和超低功率運輸模式。
正常功率模式
A1339 專門針對電池供電的應用設計，在這些應用中跟蹤目標旋轉的任務可以分配到兩種任務模式中的一種。第一種工作模式可描述為角度跟蹤模式，傳感器 IC 會跟蹤全帶寬輸出并以全分辨率提供角度輸出測量結果(這是 A1339 的正常功率模式)。
在正常功率模式中，IC 消耗最大電流(通常為 12 mA—請參閱 A1339 數(shù)據(jù)表中的正常模式供電電流規(guī)格了解具體數(shù)據(jù))，以支持全部的功能集并以內(nèi)部平均設置 (ORATE) 中選擇的最高頻率更新角度輸出寄存器(請參閱 A1339 數(shù)據(jù)表參考了解更多詳細信息)。
低功率模式
第二種工作模式(低功率模式)可以視為轉數(shù)跟蹤模式。這一模式中，傳感器 IC 不需要以全分辨率跟蹤角度，跟蹤目標的轉動計數(shù)值足以。
在低功率模式 (LPM) 中，IC 不提供 SPI、PWM、UVW/ABI 或曼徹斯特接口的角度讀數(shù)，大多數(shù)模擬和數(shù)字電路都不通電，傳感器 IC 周期性地在兩個不同的狀態(tài)之間循環(huán)。大多數(shù)情況下，傳感器 IC 保持在較低功率靜態(tài)電流“睡眠”狀態(tài) (ICC < 70 μA)。在這種狀態(tài)下，電源從模擬換能器移除，不會發(fā)生角度測量。
傳感器 IC 定期進入“喚醒”狀態(tài)，通過降低的功率信號路徑監(jiān)測磁體位置，并更新轉數(shù)計數(shù) (ICC ≈ 7 mA)。用戶可以根據(jù)具體應用通過對片上 EEPROM 存儲器進行編程來調(diào)節(jié)低功率模式運行的睡眠時間。
SPI 輸入引腳(MOSI、SCLK、CS)被用作 LPM 的主判優(yōu)器。當所有三個引腳均為低電平至少 60μs 時，傳感器 IC 將進入低功率模式(“喚醒”狀態(tài))。ABI 和 PWM 引腳是三態(tài)的，并且大多數(shù)數(shù)字和模擬電路都關斷。如果滿足條件 [BT1]，則傳感器 IC 將進入“睡眠”狀態(tài)，并且周期性地在“睡眠”和“喚醒”狀態(tài)之間循環(huán)，以監(jiān)視磁體的位置并更新轉向跟蹤。
WAKE 引腳用于從外部強制“喚醒”[BT2] 狀態(tài)。WAKE 引腳達到可編程閾值以上時，傳感器 IC 將進入跟蹤“喚醒”狀態(tài)并監(jiān)視位置的轉彎。同樣，如果觀察到過大的 RPM，則傳感器 IC 將進入“喚醒”狀態(tài)，以防止錯過磁旋轉。
運輸模式
某些由電池供電的應用要求在長期儲存和/或運輸過程中 IC 保持極低的功耗(例如新車從裝配線運輸?shù)浇?jīng)銷商的過程中)。為了滿足這一需求，A1339 提供了超低功率模式，稱為運輸模式。運輸模式用于將 A1339 設置到深度睡眠狀態(tài)，保持極低的功耗。在這一模式中，傳感器 IC 不會跟蹤角度或轉動計數(shù)。通常情況下，在運輸模式中每顆 IC 晶片的電流消耗量僅為 45 μA。
表1：模式狀態(tài)
結論
除了提供非接觸式磁體角度感應的標準優(yōu)點外，A1339 還可以在要求低功耗的嚴苛的電池供電(包括汽車)系統(tǒng)中運行。最后，A1339 可以在正常功率和低功率模式下跟蹤轉動計數(shù)，可以完美實現(xiàn)對復雜機械設計的簡化，從而實現(xiàn)在熄火狀態(tài)下跟蹤磁體目標位置的同時不犧牲系統(tǒng)的整體穩(wěn)健性和可靠性。
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