兴感半导体角度磁编码器的工作原理和技术优势

新品推出背景

在现代工业控制及自动化、机器人技术和精密测量领域，角度磁编码器作为一种关键传感器，其核心性能直接影响着系统的精度与可靠性。随着技术的不断进步，角度磁编码器在多个领域的应用越来越广泛，本文将深入探讨其工作原理、技术优势以及在工业控制及自动化的应用。

角度磁编码器通过检测磁场的变化来测量旋转角度。其工作原理基于霍尔效应或磁阻效应。根据不同的应用场景可以选用不同的传感器类型。具体来说，当电机轴旋转时，安装在轴端的永磁体所产生的磁场也会随之旋转。霍尔元件或磁阻元件检测到磁场方向的变化，并将其转换为电信号。这些信号经过高精度的模拟电路处理后，可以得到高分辨率的数字角度信号，而信号格式也是多样的，以适配不同的应用场景。

针对角度检测，必易微旗下兴感半导体推荐如下四款产品：

表 1 | 编码器系列产品总览

图 1 | 编码器系列应用功能示意图

SL641 系列产品介绍

首先介绍的是极具性价比的角度编码器 SL641 系列，其基于基于 Hall 效应，可提供高达 14bit 的有效位精度输出，绝对角度误差低至 ±0.7°，重复角度误差更可精准至 ±0.05°。客户可根据具体的应用场景，选择本系列的编码器类型。SL641 系列支持家居家电、消费类电子和部分工业电机控制应用；支持绝对角度误差在 2000 角秒以下，重复精度为 150 角秒的相关应用。全系列采用 Hall in chip 的工艺方式，避免额外的键合工艺导致应用风险，可提高应用系统鲁棒性，显著降低成本，性价比优势明显。

图 2 | SL641 功能框图

核心参数与配置

3.0 ~ 5.5V 工作电压

绝对角度分辨率：14bit

检测角度范围：360°

提供客户端的自动非线性校准模式，无数据交互，自动计算补偿，实现 ±0.7° 的 INL

可同时支持增量 ABZ、增量 UVW、PWM 绝对角度值；增量 ABZ 输出 1 ~ 1200 脉冲/圈

增量 UVW 输出支持 1 ~ 16 对极间任意整数对极（客户可编程）

支持 SPI/SSI slave 通信接口在线输出绝对角度值

最大转速：60000RPM

响应时间：5μs

支持 PWM 输出，极性可选，12bit 分辨率（497/994Hz）

自我诊断功能（超速、磁场强度）

PUSH 按压动作检测

支持角度延迟补偿功能

SL642 系列产品介绍

在现代电子产品设计中，空间往往是比成本更宝贵的资源。SL642 系列芯片，在大幅提升角度精度的同时，更进一步地减少应用物料和 PCB 使用面积。并且其通过高度集成的单芯片解决方案和小型化的封装技术，为开发者提供了前所未有的设计自由度，使其能够轻松应对各种紧凑型设计的挑战。

图 3 | SL642 功能框图

核心参数与配置

3.0 ~ 5.5V 工作电压

角度分辨率：21bit

检测角度范围：360°

提供客户端的自动非线性校准模式，无数据交互，自动计算补偿，实现 ±0.07° 的 INL

可同时支持增量 ABZ、增量 UVW、PWM 绝对角度值

增量 ABZ 输出 1 ~ 16384 脉冲/圈（65536 状态）

增量 UVW 输出支持 1~16 对极间任意整数对极（客户可编程）

支持 SPI/SSI/RS485 多摩川通信，实时输出绝对角度值

最大转速：120000RPM

响应时间：2-10μs（支持角度延迟补偿功能）

提供绝对角度

角度编码 ABZ 支持 1 ~ 16384 线（65536 步）；UVW 支持 1 ~ 64 对极；PWM 极性可选，16bit 分辨率（497/994Hz）

自我诊断功能（超速、磁场强度）

提供可配置的 0 ~ 360° 的零角度参考位置

SL642 相较于市面上其他产品有如下特点：

亮点一

支持低功耗工作模式

为了满足不同应用场景下的功耗需求，尤其是在解决工厂自动化设备断电的问题上，芯片提供了多种灵活的低功耗工作模式，使得开发者可以根据应用的具体需求进行唤醒时间配置，达到相应的功耗能力，在响应速度和功耗之间找到最佳平衡点，从而最大限度地延长设备的电池续航时间。

亮点二

专利的信号处理技术

全差分信号通路输入与共模噪声抑制

即使在噪声较大的环境中，也能从微弱的传感器信号中提取出纯净的角度信息，保证了测量的准确性和稳定性。

亮点三

SoC EEPROM

支持用户自定义校准参数

芯片内部集成了非易失性存储器（EEPROM），用于存储用户的校准参数和配置信息。开发者可以通过 SPI 接口，将针对特定传感器和应用的校准数据（如零点偏移、灵敏度、温度补偿系数等）写入 EEPROM，同时也支持自动判断并烧录。芯片在上电后会自动加载这些参数，对测量结果进行实时补偿。这种用户可编程的校准功能，极大地提高了系统的灵活性和精度，使得芯片能够适应各种不同的传感器和装配公差，实现“一芯多用”。

亮点四

支持多摩川协议通信

SL642 系列芯片支持多摩川协议通信，主控 MCU 可以读取 17/23bit 绝对角度值、芯片状态信息，并支持低功耗模式。多摩川通信设计了容错功能，其高可靠性支持 2.5Mbps 码流自适应机制，保证采样和解析数据的稳定，可以帮助客户节省通讯 MCU 在内的多颗芯片以及配套的研发周期和投入。

SL601 系列产品介绍

依托于自主设计和先进制造能力，兴感半导体具有成熟的 AMR 传感器的设计和使用经验。AMR（Anisotropic Magnetoresistance，各向异性磁阻）是基于材料电阻率随磁场方向变化而改变的现象，具体是指当电流流过置于外部磁场中的导电材料时，其电阻会随着材料相对于磁场的方向发生变化。这种效应通常出现在镍铁合金等特定金属中，电子散射概率因自旋极化状态的不同而有所区别，从而导致了各向异性磁阻现象。SL601 是基于此现象研发的独立 AMR 传感器芯片，输出格式为模拟 sin/cos 信号；配合后面介绍到的 SL6422（独立的信号调理芯片），可以将外置传感器的 sin/cos 信号进行计算编码输出。

表 2 | SL601 常规电气工作参数

图 4 | 使用 SL601 原始信号和仅经过 offset 补偿（未经过非线性补偿）所得到的角度误差

AMR 角度传感器 SL601 系列包含四个磁阻惠斯通电桥，其中两个电桥的输出端子的电压差将反映外部磁场强度，另外两个惠斯通电桥的输出电压正比于两倍磁场角度的正弦和余弦，即正比于 sin(2θ) 和 cos(2θ)，θ 为磁场的角度。当磁场方向旋转一周，两组模拟电压信号（正弦、余弦）输出的相位相差 45°，其信号周期为磁场方向旋转周期的两倍。通过对这两组模拟电压信号的解算可实时确定目标磁场的角度位置信息，角度通过 sin 和 cos 函数计算，代表相对于传感器的 0° 到 180° 的方向。（对于单对极磁体，经过 360° 旋转，通过电气周期重复两次来计算，具体计算方法详见数据手册）

相比于其他类型的角度传感器，AMR 传感器具备固有的技术优势，基于其高精度、高分辨率及高响应速度，AMR 传感器在现有角度测量方案中被认为是最为优越的技术选择。

SL601 系列具体优势可以分为以下几点：

亮点一

高精度与高分辨率

SL601 系列 AMR 传感器能够实现高精度的角度测量，直接输出的模拟量具有极低的角度延迟，仅存在一阶滤波模型的延迟，角度误差小于 ±0.15°（未非线性校准）。

亮点二

高信噪比（SNR）

SL601 系列具有更高的工作频率，支持最高 2kHz 的输入信号并具有极高的信噪比，在输入完美正弦磁场的工况下，输出信号质量可以达到 17.5bit 有效位，最恶劣的高温状态下依旧可以保持 16.7bit 有效位。

亮点三

强磁场耐受度

SL601 系列在强磁场环境下表现出色，具有更强的整体抗扰性，在高达 1500Gs 的磁场环境下依然不会丧失感应特性。

亮点四

适用宽泛磁场范围

SL601 系列传感器可应用在极宽的磁场范围，这得益于其角度参考基准为电流方向，且输出信号仅与磁场和电流的夹角相关；而这一检测水平磁场的特性，使之具有极强的安装误差容忍度，甚至可以匹配离轴、在轴安装等多种应用场景。

亮点五

高灵敏度

应用在饱和磁场条件下，SL601 系列传感器的灵敏度可达到 13.2mV/V。

亮点六

小型化与低成本

AMR 传感器在外形上更为小巧，且具备低成本优势；不仅能适配恶劣工况环境，还具有极强的可靠性与稳定性。

SL6422 系列产品介绍

基于 AMR 传感器在角度测量领域有着无可比拟的优势，在此基础上，我们推出匹配 AMR 传感器的信号调理芯片 SL6422。SL6422 系列是集成角度传感器的调理芯片。凭借其卓越的设计理念与先进的半导体工艺，在精度、功耗、集成等核心维度上实现了全面突破，旨在为各行业应用树立全新的性能标杆。它不仅仅是一个信号转换器，更是一个集成了智能算法与强大功能的片上系统（SoC），能够直接处理来自传感元件的原始 sin/cos 信号，并输出经过精确计算和补偿的高保真角度数据。这种高度集成化的方案，不仅极大地简化了系统设计，降低了物料清单（BOM）成本和 PCB 占用空间，更重要的是，通过芯片级的协同优化，实现了传统分立方案难以企及的性能指标，为终端产品带来了前所未有的竞争优势。

图 5 | 独立传感器匹配 SL6422 的磁环角度采集解决方案

区别于市面上同质化的角度传感器，我们在进行深入的市场调研后，对 SL6422 附加了别具匠心的功能，使其在伺服行业具有更突出价值。同时我们专为 SL6422 传感器打造了磁环角度采集解决方案，精准满足机器人关节、无框电机等前沿应用的高要求，其核心优势如下：

亮点一

集成 CORDIC 算法，可实现高速、高精度角度解算

芯片内部集成了高性能的坐标旋转数字计算机（CORDIC）算法硬件，这是实现超高精度角度解算的核心。CORDIC 算法通过一系列简单的移位和加法操作，能够高效地计算出输入 sin 和 cos 信号的 arctan 值，从而得到精确的角度信息。相比于传统的查表法或基于复杂数学运算的算法，CORDIC 算法在硬件上实现更高的效率和更低的延迟。SL6422 系列芯片在保持 0.07° 绝对角度误差的同时，延迟时间仍维持在 5μs 以内。

亮点二

内置高分辨率 ADC 与数字滤波，确保信号纯净度

为了配合 CORDIC 算法的高精度计算，芯片内置了高分辨率的模数转换器（ADC），能够将经过高精度运放放大的模拟信号精确地转换为数字信号。此外，芯片还集成了可配置的数字滤波器，能够有效滤除来自电源、电机或其他外部环境的噪声干扰。这些滤波器可以根据具体应用需求进行灵活配置，在对稳定性要求更高的静态测量中可以启用更强的滤波功能。通过高分辨率 ADC 与智能数字滤波的结合，SL6422 系列芯片将重复角度误差控制在 0.005° 以内，且能从源头上保证输入信号的纯净度，为后续角度解算提供可靠基础。

亮点三

支持低功耗工作模式

为了满足不同应用场景下的功耗需求，尤其是在解决工厂自动化设备断电的问题上，芯片提供了多种灵活的低功耗工作模式，使得开发者可以根据应用的具体需求进行唤醒时间配置，达到相应的功耗能力，在响应速度和功耗之间找到最佳平衡点，从而最大限度地延长设备的电池续航时间。

亮点四

非线性校准设计

非线性校准支持多种应用模式，32/64/128/256 点自动/手动校准，自动模式操作简单无需对拖系统，提高了应用效率。非线性校准设计解决了磁体和芯片存在的安装误差，同时避免了磁场不均匀等因素导致的测量曲线和理想曲线之间的线性度误差，保证非线性误差在 ±0.1° 范围内。

亮点五

丰富的通信接口

除了传统的编码器输出（ABZ/UVW/PWM），芯片还提供了一个高速的 SPI（Serial Peripheral Interface）通信接口，以及一个支持多摩川协议的 RS485 通讯接口。多摩川通信设计容错功能，其高可靠性支持 2.5Mbps 码流自适应机制，保证采样和解析数据的稳定。

角度传感器的应用场景

工业控制及自动化

角度传感器可以广泛应用于工业控制及自动化中的位置测量，如机器人关节的位置控制、机械臂的精确运动等。高精度和高可靠性使其成为工业控制及自动化中的理想选择。

汽车电子

在汽车电子领域，角度传感器可以用于电机控制、转向角度检测等。

航空航天

角度传感器在航空航天领域可以用于高精度的角度测量，如飞行器的舵面角度检测、发动机叶片的位置控制等。

医疗设备

在医疗设备中，角度传感器可以用于精确控制设备的运动，如手术机器人的关节控制、医疗器械的定位等。

消费电子

角度传感器在消费电子领域也有广泛应用，如家电中需要电机控制的场景、智能手机中的传感器、可穿戴设备中的运动检测等。

独特创新，易于使用

随着技术的不断进步，角度传感器的性能将不断提升，应用领域也将进一步扩大。针对不同的应用场景，我们可以提供多方位的解决方案，无论是精度要求较高还是较低、代替光编码器或者旋转变压器还是 Hall 开关、采用合封还是独立方案，我们的传感器产品都可以覆盖。未来，无论是 Hall 还是 AMR 传感器都将会在更多角度测量领域发挥重要作用，为高精度位置测量提供更加可靠的解决方案，满足不同应用场景的需求。

总结

必易微旗下兴感半导体提供覆盖 Hall 与 AMR 技术的全方位磁编码器系列产品，可以满足从工业控制及自动化到消费电子等不同场景下的角度测量需求。SL641 系列定位高性价比，能满足通用电机控制与位置信号检测需求；SL642 系列兼具 21 位高分辨率与针对工业控制环境设计的独有功能，可代替部分光编码器；SL601 AMR 传感器芯片具备顶级信号质量，同时拥有抗杂散磁场与抗温度变化干扰能力；SL6422 的核心功能则是为 AMR/TMR 传感器提供专业信号调理与编码支持。

这一系列产品组合技术路线覆盖全面，能有效简化客户系统设计，助力其在能源与电力、家居家电、工业控制及自动化、智能物联等领域，快速实现高可靠、高精度的位置检测。

关于必易微

深圳市必易微电子股份有限公司（股票代码：688045）是一家高性能模拟及数模混合集成电路供应商，聚焦电源管理、电机驱动、电池管理等关键核心技术，为能源与电力、家居家电、工业控制及自动化、智能物联等领域客户提供一站式芯片解决方案和系统集成服务。