了解磁角度传感器的精度和分辨率

Ted Smith

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简介

磁位置传感器, 尤其是磁角度传感器，是无数需要精确定位的运动控制应用的基本构建模块。这些传感器广泛应用于汽车、机器人、消费电子和医疗设备等领域，体现了其普适性和重要性（见图1）。

Figure 1: Magnetic Position Sensor Applications

图1：磁位置传感器应用

然而，要充分发挥磁位置传感器的性能和作用，就必须深入了解决定其性能的两个关键参数：精度和分辨率。尽管这两个术语常被混用，但在任何测量系统中，它们所代表的都是两个不同但彼此相关的概念。本文将详细介绍这两个参数，说明它们如何影响磁位置传感器的性能，并介绍相应的优化方法。

精度和分辨率的不同

在测量和仪器仪表领域，精度是指测量值与被测量实际值或真值的接近程度。对于磁位置传感器而言，精度衡量的是传感器测得的角度值与实际角度的吻合程度。换句话说，精度反映了传感器读取的位置与实际位置之间的一致程度；高精度传感器的测量结果会非常接近真实位置。

分辨率则表示传感器能够检测到的被测量的最小变化量。对于磁位置传感器而言，分辨率是传感器能够识别的最小角度变化，本质上反映了传感器对微小位置变化的灵敏程度。高分辨率传感器能够捕捉到位置的极细微变化，从而提供更详尽、精细的测量结果。

需要特别注意的是，高分辨率并不一定意味着高精度。传感器可能对极小的位置变化非常敏感，也就是具有很高的分辨率，但如果其测量结果持续偏离真实值，精度仍然可能较低。反之，传感器也可能具有很高的精度，测量结果始终接近真实位置，但分辨率仍可能较低，因而无法检测细微的位置变化。

这种看似矛盾的关系体现了磁位置传感器设计和应用的复杂性。工程师必须根据具体应用需求，在分辨率与精度之间进行权衡，以实现最佳性能。

优化传感器性能的权衡因素

要充分发挥磁位置传感器系统的性能，必须了解如何量化精度和分辨率。更重要的是，要了解通过调整哪些系统参数可以提升精度或分辨率，同时也需要理解制造商如何在数据手册中表述这些参数。

任何性能提升都需要付出一定代价，提高分辨率和精度也不例外。要在这两个参数之间取得适当平衡，需要仔细评估多种因素。

提高分辨率的关键是尽量降低噪声。窗口平均输出滤波器可用于降低噪声，从而提高分辨率。这种滤波器的工作原理是消除传感器读数中的随机波动，以帮助提供更加一致和准确的结果。

然而，平均滤波器虽然能够提高分辨率，却会降低动态带宽，这意味着系统对加速度变化的响应会随着带宽降低而延迟。如果滤波窗口设置过宽，可能会导致较差的阶跃响应，并使伺服控制环路出现不稳定，从而影响系统性能。对于基于霍尔效应的磁角度传感器而言，可以记住一个基本经验法则，即分辨率每提高半位，动态带宽约减半。

另一方面，提高精度（或降低积分非线性 (INL)）可以通过校准来实现。在传感器安装到实际应用中之后对其输出进行校准，可以补偿机械公差累积和磁误差带来的影响，使温漂成为主要的 INL 来源。不过，这里要权衡的因素是成本，因为校准需要时间、资源和专业知识，因此会增加生产成本。所以，并非所有应用都适合进行校准，尤其是对成本较为敏感的应用。

在需要高分辨率和高带宽，或者对INL 有极严格要求（例如低于 0.1°）的应用中，MPS的MA600A等解决方案能够在性能与成本之间取得良好的平衡（见图2）。与基于霍尔效应的方案相比，MA600A可提供更高的带宽和分辨率，其成本也显著低于光学编码器这一次优替代方案。MA600A基于隧道磁阻(TMR)技术，噪声水平远低于霍尔方案，且噪声特性非高斯分布。这些因素极大地缓解了TMR技术在带宽方面的权衡限制。

图2：MA600A 解决方案

精度和分辨率的量化

一般制造商的数据手册不仅会详细列出传感器的精度和分辨率规格，还会提供其他关键参数，例如工作温度范围、供电电压、静态电流和磁场强度范围。不过，不同数据手册对规格的定义和表述方式并不完全一致，因此在比较规格时需要格外谨慎。

例如，部分制造商基于1σ噪声范围来定义分辨率，这意味着最小角度变化只有68%的概率能够被检测到。相比之下，MPS以±3σ噪声水平来定义分辨率（见图3），从而保证两个角度之间的可分辨差值在99.7%的情况下是正确的。然而并非所有制造商都会采用如此保守的标准；忽略3σ的要求很容易让分辨率指标看起来更高。