基于iGMR原理角度傳感器TLE5012B應(yīng)用指導(dǎo)

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何喜富

(英飛凌科技(中國)有限公司傳感器高級應(yīng)用工程師)

1.TLE5012B簡介

TLE5012B角度傳感器基于iGMR技術(shù)，可檢測平行于封裝表面磁場360°變化?？蓱?yīng)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域里轉(zhuǎn)角位置檢測如方向盤轉(zhuǎn)角，電機位置等。

TLE5012B內(nèi)部集成角度計算模塊，可以將原始值（sine和cosine）進(jìn)行數(shù)字處理后輸出絕對角度。集成自動標(biāo)定和溫度補償功能，在溫度范圍和壽命周期里可以達(dá)到1°精度。汽車級認(rèn)證，可工作在-40℃至150℃范圍。

TLE5012B具備極其確切的角度分辯率(15bit)以及快速的信號處理能力和較短的延時/更新率，極其適合確切測定高動態(tài)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)子位置。同時TLE5012B具有先進(jìn)的診斷功能及安全特性,確保了產(chǎn)品高可靠性。

1.1iGMR原理

所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得?格林貝格（PeterGrünberg）和艾爾伯?費爾（AlbertFert）分別獨立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2023年諾貝爾物理學(xué)獎。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比尋常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)〞。

如圖1所示，基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)材料主要有三層：即參考層(ReferenceLayer或PinnedLayer)，普通層(NormalLayer)和自由層(FreeLayer)。參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會受到外界磁場方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開。自由層磁場方會隨著外界平行磁場方向的改變而改變。

圖1：巨磁阻磁性感應(yīng)層結(jié)構(gòu)

巨磁阻阻值由自由層和參考層之間磁場方向夾角決定，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向一致時，巨磁阻阻值最小。反之，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相反時，巨磁阻阻值最大。

巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向一致，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而浮現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，從而浮現(xiàn)高阻抗。

1.2.iGMR角度檢測原理

如圖2所示為巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)，由兩組惠斯通電橋構(gòu)成，分別為反映外界磁場余弦變化的巨磁阻感應(yīng)單元和反映外界磁場正弦變化的VY巨磁阻感應(yīng)單元。和VY巨磁阻感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)類似，只是參考層磁化方向不同。使用全橋結(jié)構(gòu)的好處是可以獲得兩倍信號幅值以及消除溫度效應(yīng)影響。

圖2：巨磁阻惠斯特橋

當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸上磁鐵隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，巨磁阻感應(yīng)單元和VY能夠檢測出平行于其表面的外界磁場變化，并分別輸出余弦和正弦信號。磁場信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，然后通過傳感器內(nèi)部CORDIC（COordinateRotationDIgitalComputer)模塊進(jìn)行反正切計算，得到所需要角度值，最終通過不同信號協(xié)議輸出角度等信息。

2.通訊協(xié)議

TLE5012B支持多種通訊協(xié)議，即SSC(SynchronousSerialCommunication)協(xié)議,PWM(Pulse-Width-Modulation）協(xié)議，SPC（Short-PWM-Code，兼容SENT協(xié)議）協(xié)議,HSM（HallSwitchMode）模式以及IIF（IncrementalInterface）協(xié)議。

TLE5012BSSC為三線制協(xié)議，允許雙向通訊,兼容SPI協(xié)議?？梢酝ㄟ^SSC協(xié)議讀取TLE5012B內(nèi)部寄放器數(shù)據(jù)（如角速度、角度原始數(shù)值、溫度等）以及

配置寄放器（如解析度、自動標(biāo)定，工作模式等）。SSC允許高速數(shù)據(jù)傳輸，波特率為8Mbit/s。一個總線上最多允許4個TLE5012B進(jìn)行通訊。SSC通訊距離較短，建議在30cm以內(nèi)，所以適合板間通訊。

PWM通訊協(xié)議為單向通訊方式，解析度為12bit，有四種工作頻率，即：0.2KHz，0.5KHz,1KHz以及2KHz，可通過SSC接口配置工作頻率。占空比代表角度信息，其中占空比在0-6.25%以及93.75-100%區(qū)間用于診斷。占空比在6.25%-93.75%區(qū)間代表角度。PWM通訊距離可到5m。

SPC協(xié)議兼容SENT協(xié)議，連續(xù)的兩個下降沿之間的時間長度代表著4bit數(shù)據(jù)。不同的是SPC允許雙向通訊，且通訊時MCU需要給TLE5012B發(fā)送一個觸發(fā)信號以喚醒其傳輸角度信息。除角度信息外，還可傳輸溫度信息。可通過SSC接口配置解析度為12bit或者16bit。一個總線上最多允許4個TLE5012B進(jìn)行通訊。SPC通訊距離可到5m。

HSM模式可模擬三個霍爾開關(guān)，用于電機塊換向。HSM包含三個單向通訊接口，默認(rèn)極對數(shù)為5，可通過SSC接口配置極對數(shù)等參數(shù)。

IIF協(xié)議可用于模擬光電編碼通訊，包含IFA,IFB以及IFC三條單向通訊信號?？梢匀〈怆娋幋a器，用于高速電機位置檢測。IIF增量編碼信號為輸出占空比50%的矩形波，每一個波形代表最小角度解析度，可以通過SSC接口配置成9bit（每一圈512個脈沖信號）到12bit（每一圈4096個脈沖信號）解析度，MCU通過計算IIF信號脈沖數(shù)可以知道電機位置信息。

TLE5012B出廠時預(yù)標(biāo)定了寄放器配置，用戶可以在不作修改或者很少修改寄放器配置狀況下使用。TLE5012B主要有四種版本，即：TLE5012BE1000SSC+IIF；TLE5012BE3005SSC+HSM；TLE5012BE5000SSC+PWM；TLE5012BE9000SSC+SPC。用戶可以根據(jù)需要選擇適合版本，限于篇幅，本文主要介紹SSC和IIF協(xié)議。

2.1SSC協(xié)議

TLE5012BSSC數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙工，因此當(dāng)和四線制SPI接口通訊時，MCUSPI接口數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收腳需要同時連接到TLE5012Bdata腳上。當(dāng)TLE5012B向MCU傳輸數(shù)據(jù)時，MCU的數(shù)據(jù)發(fā)送腳需要拉高。反之，當(dāng)MCU向TLE5012B發(fā)送命令時，MCU的數(shù)據(jù)接收腳需要拉高。

SSC傳輸信息包含命令，數(shù)據(jù)以及安全信息。信號傳輸時CSQ需要拉低，并提供SCK信號?？梢酝ㄟ^SSC協(xié)議讀取以及配置TLE5012B內(nèi)部寄放器數(shù)據(jù)。如圖3所示為MCU通過SSC讀取TLE5012B內(nèi)部寄放器角度信息。MCU向TLE5012B發(fā)送8021H，經(jīng)過twr_delay延遲后，TLE5012B會返回角度信息及狀態(tài)信息。

圖3：讀取角度信息

如圖4所示為MCU通過SSC配置TLE5012B內(nèi)部寄放器MOD_2。MCU發(fā)送命令5081H，修改MOD_2寄放器內(nèi)容為809H。經(jīng)過twr_delay延遲后，TLE5012B會返回狀態(tài)信息。當(dāng)安全信息傳輸完畢后，下一個數(shù)據(jù)傳輸前片選信號CSQ需要退出然后再拉低。

圖4：寄放器配置

為了保證配置信息確鑿無誤，可以在寫入數(shù)據(jù)前先讀取所需要配置寄放器內(nèi)容，再配置該寄放器，最終再讀一遍配置內(nèi)容確認(rèn)是否正確。

SSC傳輸數(shù)據(jù)里安全信息包括CRC校驗，每一組新的數(shù)據(jù)傳輸都會產(chǎn)生新的CRC校驗。TLE5012BCRC校驗基于J1850總線規(guī)范，需要注意的是進(jìn)行CRC校驗時需要包含發(fā)送的命令以及接收到的數(shù)據(jù)。

2.2IIF協(xié)議

TLE5012BE1000有兩種IIF工作模式，即A/BMode以及Step/DirectionMode。如圖5所示為A/BMode，其中IFA和IFB輸出脈沖代表角度信息，兩個信號相位相差90°。根據(jù)A相位是否超前B相位判定電機轉(zhuǎn)動方向。IFC代表零點位置。

圖:5：A/BMode

TLE5012BE1000默認(rèn)IIF協(xié)議為A/BMode，可以通過SSC配置為Step/DirectionMode。如圖6所示為Step/DirectionMode，其中IFA輸出增量信號代表角度信息，IFB代表方向信息，而IFC代表零點位置。

圖:6：Step/DirectionMode

TLE5012B內(nèi)部14位計數(shù)器（IIF_CNT）可用于增量編碼計數(shù)，能夠記錄一整圈從0到16383個脈沖，可用于MCU和傳感器之間數(shù)據(jù)同步。取決于內(nèi)部寄放器設(shè)置（IIF解析度9bit~12bit），同步時IIF_CNT需減掉2至5個LSB數(shù)據(jù)。

當(dāng)TLE5012BE1000上電后，電機還沒有開始轉(zhuǎn)動，TLE5012BIIF腳會輸出一定脈沖數(shù)，此為TLE5012BE1000啟動特性，MCU通過計算脈沖數(shù)可獲得TLE5012B起始位置絕對角度信息。

即：起始位置絕對角度=脈沖數(shù)*180°/211式2-1起始位置脈沖最大數(shù)目在180°位置，此時有2048個脈沖。假使IFA相位在IFB相位之前，則該角度在0°和180°之間。假使IFB相位在IFA相位之前，則角度在180°和360°之間。起始位置脈沖終止后，TLE5012B進(jìn)入正常工作模式。