适用于直流无刷舵机与高级按压旋钮的差分霍尔式磁编码芯片MT6701
2020/06/17
MT6701是麦歌恩最新推出的三轴（旋转+按压）感应磁性角度编码芯片。适用于与直流无刷舵机相关的无人机、云台、遥控模型、机器人关节等，以及与智能家电相关的高级电子旋钮场景。
核心原理：差分霍尔——消除外界磁场干扰
首先我们来了解一下如下图所示的差分水平霍尔感应原理。
图1 差分水平霍尔感应原理
01 | XY平面内的角度检测
互成90°摆放的四个水平霍尔盘，水平霍尔盘只感应垂直于芯片表面的磁场分量BZ，互在对角线上的两个霍尔盘组成一组差分对，感应到的磁场强度为BZ-(-BZ)=2BZ。这样形成了两对互成90°的差分霍尔电桥。随着在芯片上方1对极径向充磁的磁铁旋转，二对互成90°摆放的差分霍尔电桥产生了Cosθ和Sinθ的电压信号如下图所示，由于霍尔盘灵敏度比较低，此处的电压信号一般只有几mV，通过后续的放大、校准和信号处理电路的运算，可以求解得到角度θ。MT6701的角度信息θ以ABZ、PWM、模拟线性电压以及14位二进制数字绝对值的形式输出给用户。
图２ 差分水平霍尔角度感应原理
02 | 差分霍尔盘抗各个方向的磁场干扰
由于芯片上的霍尔盘阵列，只感应垂直于芯片表面的磁场。如图1所示，当1对极径向充磁的磁铁安装在芯片正上方时，从磁铁北极到磁铁南极的磁力线，正好使得芯片上成180°摆放的一对霍尔盘，一个感应到+BZ的磁场，而另一个感应到-BZ的磁场，经差分运算后得到总的感应磁场为2BZ；此时如果有X方向的干扰磁场BEX或者Y方向的干扰磁场BEY存在，霍尔盘并不会对此产生任何感应；如果有一个Z方向的干扰磁场BEZ存在，这时一个霍尔盘感应到BEZ+BZ的磁场，另一霍尔盘感应到BEZ-BZ的磁场，经差分运算后得到总的感应磁场依然为2BZ。因此差分霍尔盘设计，可以完美的消除外界任一方向上的磁场的干扰。这在很多应用中具有天然的优势。
03 | 垂直方向（Z方向）按压检测功能
除了XY平面内的角度转动检测，MT6701还集成了
垂直方向（Z方向）的按压检测功能。
这一功能利用两对成90°的电桥产生的Cosθ和Sinθ的电压信号，他们的平方和A代表了霍尔盘感应到的磁场的绝对强度：
A=ASin2θ+ ACos2θ
在芯片和磁铁之间的距离固定的情况下，无论θ角度是多少，经过计算得到的A的数值是固定的，但是当磁铁和芯片直接的距离变化之后，霍尔盘感应到的磁场大小随之变化，A也就发生了变化。正是利用了这一数学关系，MT6701实现了Z轴的按压功能，按压的阈值可以通过芯片内置的EEPROM进行编程，以方便各种应用设计。便捷且抗干扰能力强的设计——SSI接口
MT6701提供了方便并且抗干扰能力强的SSI数字传输接口。
MT6701提供了方便的SSI接口，相比与I²C或者SPI接口，SSI接口不需要通信命令，上位机只需要提供片选信号和时钟，即可从芯片内读取数据。MT6701在SSI接口上提供了每帧24bit的固定格式数据，其中14位的绝对角度数据，4bit的磁场状态信息位（包括弱磁，强磁，按压，速度饱和），以及多达6bit的CRC数据校验位。6bit的CRC数据校验位，极大的提高了数据传输的抗干扰能力，很多应用中，编码器靠近电机本体或者动力线，电磁环境恶劣，信号传输极易受干扰。上位机通过6bit的校验位判断，可以极大的降低接收错误数据的概率。
MT6701的典型应用
01 | 直流无刷舵机直流无刷舵机是舵机中的高端系列，广泛应用于无人机、云台、遥控模型、机器人关节控制等场景。直流无刷舵机一般形式为空心杯电机，由于空间限制编码器一般放置在电机侧面，一般的磁编码器都会受到电机磁场的影响，只有差分霍尔式的磁编码器可以轻松完美的消除这一干扰。
图4 舵机中的磁编码器
02 | 基于磁编的“旋钮+按钮”应用目前的旋钮，基本都是用传统电位器实现的，价格便宜，应用成熟。但是随着人们对智能家电类产品更美观、更方便、更可靠的追求，出现了一些用磁性角度编码器芯片替换传统电位器做旋钮的需求。
图5 传统电位器旋钮 磁性角度编码器开关
用磁性角度编码器编芯片做旋钮有两个好处：
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非接触式工作，使用寿命远高于电位器。对于每时每刻都在运行的设备，一般电位器几万次的有限使用寿命会显得捉襟见肘，而磁性角度编码器的方案使用寿命和次数无关，普遍使用寿命在10年以上。
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也是因为非接触式工作，磁铁和芯片可以分离，因此可以容易的实现防水设计，比如PCB板和旋钮（内含磁铁）之间用玻璃等材料完全隔绝，既能防水又完全不影响使用。
图6 MT6701实现“旋钮+按压”功能