納芯微（含原麥歌恩 MagnTek）AMR/TMR 磁編碼器以磁阻傳感陣列為核心，輸出與轉(zhuǎn)子角度嚴格對應的正交正弦 / 余弦（SIN/COS）差分信號。由于制造偏差、安裝誤差、溫度漂移及非理想電路效應，原始正交信號普遍存在幅值失衡、正交偏移、零點失調(diào)、非線性畸變與溫漂五大誤差，直接決定角度解碼精度。本文系統(tǒng)闡述納芯微磁編碼器從正交信號生成、模擬前端調(diào)理、高精度數(shù)字化、多級誤差校準、硬件 CORDIC 角度解算到動態(tài)補償的完整高精度解碼鏈路，重點分析 AMR/TMR 信號特性、誤差來源與抑制方法、CORDIC 向量模式解碼原理及芯片級自校準機制。實測表明：經(jīng)全鏈路校準與硬件加速解碼后，正交誤差可控制在 <0.01°，全溫域角度精度達 ±0.07°~±0.1°，解碼延遲 ≤2 μs，滿足伺服 FOC、機器人關節(jié)與高精度運動控制的嚴苛要求。

1 引言

絕對式磁編碼器憑借非接觸、高可靠、抗振動、斷電保持位置等優(yōu)勢，在工業(yè)伺服、協(xié)作機器人、新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中快速普及。納芯微 MT/NSM 系列單芯片磁編碼器采用 **AMR（各向異性磁阻）/TMR（隧道磁阻）** 傳感技術，集成正交電橋陣列，直接輸出與磁場角度 θ 對應的兩路正交差分信號：

**( begin{cases} V_{text{SIN}}(theta)=Asintheta+V_{text{OS1}} \ V_{text{COS}}(theta)=Acostheta+V_{text{OS2}} end{cases} )

理想情況下，兩路信號等幅、正交（90° 相位差）、無失調(diào)、線性度高，通過 (theta=arctan2(V_{text{SIN}},V_{text{COS}})) 即可精確解算角度。但工程實際中，磁阻電橋失配、安裝氣隙不均、PCB 寄生效應、運放失調(diào)、溫度漂移等會使正交信號變?yōu)?strong>橢圓畸變信號，導致角度非線性、抖動、溫漂誤差，嚴重時 INL 可達 ±0.5° 以上。

納芯微通過單芯片全集成信號鏈 + 多級數(shù)字校準 + 硬件 CORDIC 解碼 + 動態(tài)溫度補償，將畸變橢圓修正為近似單位圓，實現(xiàn)高精度、低延遲、高穩(wěn)定性的角度輸出。本文從信號機理、誤差建模、校準算法、硬件解碼與實測性能五方面，系統(tǒng)闡述其正交信號高精度解碼技術。

2 AMR/TMR 正交信號生成機理與特性

2.1 AMR/TMR 傳感原理

AMR（各向異性磁阻）：鐵磁材料電阻隨磁化方向與電流方向夾角變化；靈敏度中等、成本低、溫度系數(shù)較大，適合工業(yè)通用場景。

TMR（隧道磁阻）：基于磁性多層膜量子隧穿效應；磁阻變化率 >100%、靈敏度高、溫漂小、噪聲低，用于 MT6825/MT6835 等高精型號。

納芯微采用兩對正交全橋磁阻陣列，平面內(nèi)僅響應磁場方向，抑制 Z 軸雜散磁場；在一對極永磁體旋轉(zhuǎn)時，輸出兩路差分正交信號，幅值與氣隙（0.5–3 mm）弱相關、與角度強相關。

2.2 原始正交信號典型誤差模型

實際輸出為非理想橢圓信號：

**( begin{cases} V_{text{SIN}}=A(1+alpha)sintheta+V_{text{OS}} \ V_{text{COS}}=Acos(theta+varepsilon)+V_{text{OC}} end{cases} )

主要誤差：

幅值失衡（α）：兩路增益不一致 → 橢圓長短軸不等。

正交誤差（ε）：相位偏離 90° → 橢圓軸傾斜。

零點失調(diào)（V_OS, V_OC）：電橋 / 運放失調(diào) → 圓心偏移。

非線性失真：磁阻非線性、AFE 飽和、ADC 非線性 → 波形畸變。

溫度漂移：靈敏度、失調(diào)、正交性隨溫度變化 → 全溫域誤差惡化。

3 單芯片信號鏈：從磁信號到數(shù)字正交信號

3.1 低噪聲模擬前端（AFE）

納芯微集成全差分 AFE，核心功能：

高 CMRR 差分放大（>90 dB）：提取 mV 級正交差分信號，抑制共模噪聲與地干擾。

可編程增益（PGA）：16–128 倍自適應，適配不同氣隙與磁鐵強度，使信號充滿 ADC 量程。

二階抗混疊低通濾波：1–10 MHz 可調(diào)，濾除開關噪聲與 EMI，防止采樣混疊。

斬波穩(wěn)零：抑制運放與電橋溫漂失調(diào)，失調(diào)控制在 ±50 μV 內(nèi)。

3.2 高精度同步 ADC 數(shù)字化

AMR 系列：16–20 位 SAR ADC；

TMR 系列：20–24 位高精度 ADC；

同步采樣：兩路同時采樣，避免相位偏移；

采樣率：最高 1 MSPS，支持最高 120,000 rpm 動態(tài)角度無失真。

輸出數(shù)字信號：

**( begin{cases} D_{text{SIN}}=Ksintheta+D_{text{OS1}} \ D_{text{COS}}=Kcostheta+D_{text{OS2}} end{cases} )

4 多級正交誤差校準（核心高精度保障）

納芯微在芯片內(nèi)部集成四級校準機制，出廠 OTP 固化 + 用戶在線自校準，將橢圓信號修正為近似單位圓：

4.1 零點失調(diào)校準

消除電橋、AFE、ADC 的直流偏移：

**( D_{text{SIN}}'=D_{text{SIN}}-O_S,quad D_{text{COS}}'=D_{text{COS}}-O_C )

校準后失調(diào)誤差 <0.01°。

4.2 幅值均衡校準

修正兩路增益不一致（α→0）：

**( D_{text{COS}}''=Gcdot D_{text{COS}}' )

G 為片內(nèi)標定增益系數(shù)，校準后幅值誤差 <0.1%。

4.3 正交相位誤差校準

修正非 90° 相位偏差 ε：

**( D_{text{COS}}'''=D_{text{COS}}''-D_{text{SIN}}'cdotsinvarepsilon )

校準后正交誤差 <0.01°，顯著減小橢圓傾斜。

4.4 非線性與溫度動態(tài)補償

高階多項式非線性校正：256 點 OTP 校準曲線，修正磁阻與電路非線性，將 INL 從 ±0.5° 優(yōu)化至 ±0.07°。

溫度漂移實時補償：片內(nèi)高精度溫度傳感器（±0.5℃），三階多項式擬合溫度–誤差模型，動態(tài)修正靈敏度、失調(diào)、正交性溫漂，-40℃~125℃ 全溫域誤差 ±0.01° 內(nèi)。

校準后輸出理想正交矢量：

**( X=D_{text{COS}}''',quad Y=D_{text{SIN}}' )

滿足 (X^2+Y^2approx1)，為 CORDIC 提供高質(zhì)量輸入。

5 硬件 CORDIC 高精度角度解碼

5.1 CORDIC 向量模式原理

納芯微采用向量模式（Vectoring Mode）：將正交矢量 ((X,Y)) 通過迭代旋轉(zhuǎn)至 X 軸（Y→0），累計旋轉(zhuǎn)角度即為 θ。

迭代公式（每次旋轉(zhuǎn)固定角度 (alpha_k=arctan(2^{-k}))）：

**( begin{cases} x_{k+1}=x_k-y_kcdot d_kcdot 2^{-k} \ y_{k+1}=y_k+x_kcdot d_kcdot 2^{-k} \ z_{k+1}=z_k-d_kcdot arctan(2^{-k}) end{cases} )

(d_k=text{sign}(y_k))：方向控制；

(2^{-k})：移位因子，無需乘法器；

(z_k)：累計角度，初始 (z_0=0)。

5.2 硬件 CORDIC 實現(xiàn)（納芯微核心優(yōu)勢）

全流水線硬件引擎：16–24 級迭代，純移位 + 加減，無浮點運算；

低延遲：單次解碼 ≤20 ns，總延遲 ≤2 μs；

高分辨率：16–23 位角度輸出（MT6835：23 位≈0.00024°）；

小面積低功耗：約 10k 門，工作電流 <10 mA。

5.3 解碼流程

校準后正交矢量 ((X,Y)) 輸入；

CORDIC 迭代 16–20 次，Y→0；

累計角度 (z_n=theta)；

輸出 0°–360° 絕對角度，SPI/UVW/PWM/ABZ 多協(xié)議輸出。

6 在線自校準與動態(tài)穩(wěn)定性

納芯微支持一鍵自動校準（用戶模式）：

電機勻速旋轉(zhuǎn) 18 圈（400–800 rpm 可選）；

芯片自動采集全周期 SIN/COS 數(shù)據(jù)，計算失調(diào)、增益、正交、非線性參數(shù)；

寫入 MTP/EEPROM，實時更新校準系數(shù)；

PWM 狀態(tài)腳指示進度：50%= 校準中，99%= 成功，25%= 失敗。

自校準可抵消安裝偏差、老化、氣隙漂移，長期保持高精度。

7 實測性能與工程價值

7.1 典型指標（MT6835，TMR）

角度分辨率：23 位（≈0.00024°）

積分非線性 INL：±0.07°（全溫域）

正交誤差：<0.01°

解碼延遲：≤2 μs

工作溫度：-40℃~125℃

輸出接口：SPI（16 MHz）、UVW、PWM、ABZ

7.2 應用價值

高精度：替代中低端光電編碼器，成本更低、抗振動更強；

低延遲：≤2 μs 適配伺服 FOC 電流環(huán)（≤10 μs）；

單芯片集成：3×3 mm QFN，BOM 減少 30%，PCB 面積減半；

寬溫穩(wěn)定：全溫域誤差 <±0.1°，適配工業(yè)與車載惡劣環(huán)境。

納芯微 AMR/TMR 磁編碼器正交信號高精度解碼，依賴磁阻傳感陣列、低噪聲 AFE、高精度同步 ADC、四級數(shù)字校準、硬件 CORDIC 加速、在線自校準與溫度動態(tài)補償七大技術協(xié)同。通過將原始橢圓畸變信號逐級修正為理想正交單位圓信號，再由無乘法器 CORDIC 引擎納秒級解算角度，實現(xiàn)了高精度、低延遲、高穩(wěn)定、小體積、低功耗的絕對角度輸出。該技術已在工業(yè)伺服、協(xié)作機器人、新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)大規(guī)模應用，為高性能運動控制提供了高性價比、高可靠性的磁編碼解決方案。

審核編輯 黃宇