MT6701是麥歌恩最新推出的三軸（旋轉(zhuǎn)+按壓）感應(yīng)磁性角度編碼芯片。適用于與直流無刷舵機(jī)相關(guān)的無人機(jī)、云臺(tái)、遙控模型、機(jī)器人關(guān)節(jié)等，以及與智能家電相關(guān)的高級(jí)電子旋鈕場(chǎng)景。

磁性角度編碼器芯片在將近20年的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了從早期的水平霍爾式感應(yīng)、到后來的垂直霍爾式感應(yīng)以及最新的各類高性能的磁阻式感應(yīng)（AMR各向異性磁阻、GMR巨磁阻以及TMR隧道磁阻）等多種磁感應(yīng)原理的演進(jìn)。目前，高性能的磁性角度編碼器應(yīng)用已經(jīng)是各類磁阻感應(yīng)技術(shù)的天下，同時(shí)，集成了各類復(fù)雜的信號(hào)處理和校準(zhǔn)算法的ASIC也成為了提升磁性編碼器芯片整體性能不可或缺的核心部分。

而麥歌恩卻從早期的磁感應(yīng)技術(shù)中挖出了新寶藏，今天我們將為大家介紹一種相對(duì)古老的感應(yīng)方式——差分水平霍爾式感應(yīng)（霍爾器件處于芯片表面的水平面內(nèi)）。

雖然在高性能的閉環(huán)步進(jìn)和伺服電機(jī)應(yīng)用中，這一感應(yīng)方式由于天然的靈敏度較低（相比磁阻至少低10倍以上）而導(dǎo)致的信噪比差，最終的噪聲和動(dòng)態(tài)性能無法和磁阻類的角度編碼器芯片媲美，但由于其天然的差分感應(yīng)方式在某些應(yīng)用中具有優(yōu)異的抗外界磁場(chǎng)干擾和電磁輻射的特性而受到青睞；同時(shí)這種方式除了能夠感應(yīng)芯片表面的平面角度外，還可以感應(yīng)芯片垂直方向的磁場(chǎng)變化，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)非接觸式的“旋鈕+按鈕”的功能。

MagnTek最新推出的MT6701磁性角度編碼器芯片就是基于該原理。

首先我們來了解一下如下圖所示的差分水平霍爾感應(yīng)原理。

圖1　差分水平霍爾感應(yīng)原理

01 | XY平面內(nèi)的角度檢測(cè)

互成90°擺放的四個(gè)水平霍爾盤，水平霍爾盤只感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場(chǎng)分量Bz，互在對(duì)角線上的兩個(gè)霍爾盤組成一組差分對(duì)，感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Bz-(-Bz)=2Bz。這樣形成了兩對(duì)互成90°的差分霍爾電橋。隨著在芯片上方1對(duì)極徑向充磁的磁鐵旋轉(zhuǎn)，二對(duì)互成90°擺放的差分霍爾電橋產(chǎn)生了Cosθ和Sinθ的電壓信號(hào)如下圖所示，由于霍爾盤靈敏度比較低，此處的電壓信號(hào)一般只有幾mV，通過后續(xù)的放大、校準(zhǔn)和信號(hào)處理電路的運(yùn)算，可以求解得到角度θ。MT6701的角度信息θ以ABZ、PWM、模擬線性電壓以及14位二進(jìn)制數(shù)字絕對(duì)值的形式輸出給用戶。

圖２　差分水平霍爾角度感應(yīng)原理

02 | 差分霍爾盤抗各個(gè)方向的磁場(chǎng)干擾

由于芯片上的霍爾盤陣列，只感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場(chǎng)。如圖1所示，當(dāng)1對(duì)極徑向充磁的磁鐵安裝在芯片正上方時(shí)，從磁鐵北極到磁鐵南極的磁力線，正好使得芯片上成180°擺放的一對(duì)霍爾盤，一個(gè)感應(yīng)到+BZ的磁場(chǎng)，而另一個(gè)感應(yīng)到-BZ的磁場(chǎng)，經(jīng)差分運(yùn)算后得到總的感應(yīng)磁場(chǎng)為2BZ；此時(shí)如果有X方向的干擾磁場(chǎng)BEX或者Y方向的干擾磁場(chǎng)BEY存在，霍爾盤并不會(huì)對(duì)此產(chǎn)生任何感應(yīng)；如果有一個(gè)Z方向的干擾磁場(chǎng)BEZ存在，這時(shí)一個(gè)霍爾盤感應(yīng)到BEZ+BZ的磁場(chǎng)，另一霍爾盤感應(yīng)到BEZ-BZ的磁場(chǎng)，經(jīng)差分運(yùn)算后得到總的感應(yīng)磁場(chǎng)依然為2BZ。因此差分霍爾盤設(shè)計(jì)，可以完美的消除外界任一方向上的磁場(chǎng)的干擾。這在很多應(yīng)用中具有天然的優(yōu)勢(shì)。

03 | 垂直方向（Z方向）按壓檢測(cè)功能

除了XY平面內(nèi)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)，MT6701還集成了垂直方向（Z方向）的按壓檢測(cè)功能。

這一功能利用兩對(duì)成90°的電橋產(chǎn)生的Cosθ和Sinθ的電壓信號(hào)，他們的平方和A代表了霍爾盤感應(yīng)到的磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度：

A=ASin2θ+ ACos2θ

在芯片和磁鐵之間的距離固定的情況下，無論θ角度是多少，經(jīng)過計(jì)算得到的A的數(shù)值是固定的，但是當(dāng)磁鐵和芯片直接的距離變化之后，霍爾盤感應(yīng)到的磁場(chǎng)大小隨之變化，A也就發(fā)生了變化。正是利用了這一數(shù)學(xué)關(guān)系，MT6701實(shí)現(xiàn)了Z軸的按壓功能，按壓的閾值可以通過芯片內(nèi)置的EEPROM進(jìn)行編程，以方便各種應(yīng)用設(shè)計(jì)。

| 便捷且抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)——SSI接口

MT6701提供了方便并且抗干擾能力強(qiáng)的SSI數(shù)字傳輸接口。

圖3　MT6701的SSI通信接口

MT6701提供了方便的SSI接口，相比與I2C或者SPI接口，SSI接口不需要通信命令，上位機(jī)只需要提供片選信號(hào)和時(shí)鐘，即可從芯片內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。MT6701在SSI接口上提供了每幀24bit的固定格式數(shù)據(jù)，其中14位的絕對(duì)角度數(shù)據(jù)，4bit的磁場(chǎng)狀態(tài)信息位（包括弱磁，強(qiáng)磁，按壓，速度飽和），以及多達(dá)6bit的CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。

6bit的CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，很多應(yīng)用中，編碼器靠近電機(jī)本體或者動(dòng)力線，電磁環(huán)境惡劣，信號(hào)傳輸極易受干擾。上位機(jī)通過6bit的校驗(yàn)位判斷，可以極大的降低接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的概率。

01 | 直流無刷舵機(jī)

直流無刷舵機(jī)是舵機(jī)中的高端系列，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、云臺(tái)、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制等場(chǎng)景。

直流無刷舵機(jī)一般形式為空心杯電機(jī)，由于空間限制編碼器一般放置在電機(jī)側(cè)面，一般的磁編碼器都會(huì)受到電機(jī)磁場(chǎng)的影響，只有差分霍爾式的磁編碼器可以輕松完美的消除這一干擾。

圖4　舵機(jī)中的磁

02 | 基于磁編的“旋鈕+按鈕”應(yīng)用

圖5　傳統(tǒng)電位器旋鈕　磁性角度編碼器開關(guān)

用磁性角度編碼器編芯片做旋鈕有兩個(gè)好處

1 非接觸式工作，使用壽命遠(yuǎn)高于電位器。對(duì)于每時(shí)每刻都在運(yùn)行的設(shè)備，一般電位器幾萬次的有限使用壽命會(huì)顯得捉襟見肘，而磁性角度編碼器的方案使用壽命和次數(shù)無關(guān)，普遍使用壽命在10年以上。

2 也是因?yàn)榉墙佑|式工作，磁鐵和芯片可以分離，因此可以容易的實(shí)現(xiàn)防水設(shè)計(jì)，比如PCB板和旋鈕（內(nèi)含磁鐵）之間用玻璃等材料完全隔絕，既能防水又完全不影響使用。

圖6　MT6701實(shí)現(xiàn)“旋鈕+按壓”功能