轉盤、操縱桿、恒溫器、電子轉向總成和通常用于萬向節或機械臂的電機控制接頭等旋轉類器件都依賴于精確定義角度位置的能力。雖然可以使用機械觸點等方法來監測旋轉角度，但這些類型的傳感器在使用時容易磨損，并且在有污垢的情況下會降低性能。霍爾效應傳感器是一種非接觸式檢測替代產品，可提供更長的產品壽命、更高的可靠性及角度檢測性能。

在存在角度旋轉的應用中，對控制器的反饋可為器件配置提供有價值的見解。這可以是來自旋鈕或方向盤的用戶輸入，也可以是電機驅動配置的精確位置控制。使用霍爾效應傳感器實施此設計通常需要在旋轉體上放置一個磁體，并在附近放置一個能夠檢測磁體產生的磁通密度的傳感器。當使用沿旋轉軸安裝的徑向圓柱體磁體時，使用線性霍爾效應傳感器更容易實現角度監控。

圖 1 徑向磁體

由于這種類型的磁體軸向旋轉，磁場矢量的各種分量（表征磁通密度）會發生周期性變化。根據相對于磁體的位置，始終至少有兩個分量可供選擇。當傳感器放置在與磁體表面相距適當的距離時，這些分量為正弦。注意以下曲線，它們表示旋轉磁體產生的每個分量。

圖 2 磁通密度與磁體角度間的關系

如果傳感器元件位于 XZ 平面，朝向 Y 方向的矢量分量為 B_y，則可以監控傳感器元件。使用此輸入，可以根據以下關系確定最多 180° 的旋轉角度。

添加與第一個傳感器相位相差 90° 的第二個傳感器，可以將絕對角度檢測設計擴展到 360°。

圖 3 具有 90° 相移的磁場分量

當使用兩個 90° 異相的信號時，可以使用反正切函數計算角度。

設置角度計算的一種方法是使用兩個一維傳感器。對于這種方法，放置兩個傳感器時必須確保它們在物理上圍繞磁鐵中心間隔 90°。這可以通過將傳感器放在平面內（與磁體的磁極共面）或平面外來實現。平面內方法將傳感器放置在與磁極直接對齊的位置，因此觀察到的輸入更大，但平面外對齊所需的物理空間更小。

圖 4 使用一維霍爾效應傳感器進行角度檢測的配置

90° 的機械間距可在輸出端提供所需的相移。

為了在校正這些誤差時實現更高精度，校準非常重要。

第二個選項是使用 3D 位置傳感器實施設計。返回圖 2中的圖，請注意 Y 和 Z 分量自然地呈 90° 異相。當使用具有多個靈敏度軸的 3D 位置傳感器時，可以使用單個器件同時監控所需的各個磁場分量以進行角度計算。

圖 5 3D 位置傳感器

在單個封裝中集成多個傳感器的好處是通道間磁場靈敏度更一致，并可以更大限度地減小傳感器所需的 PCB 面積。在設計此功能時，此優勢使得多軸傳感器成為一個具有吸引力的選擇。3D 位置傳感器的另一項特性是集成了 CORDIC 計算器，它能夠復制反正切函數的結果并直接根據任意兩個軸的輸出數據生成角位置。

通常，此測量有三種不同的方向：同軸、平面內和平面外（離軸）。

圖 6 使用多軸霍爾效應傳感器進行角度檢測的配置

在這三種情況中，最容易實施的是同軸，磁場分量會自然匹配。平面內傳感器放置通常很方便，但只有兩個可測量的磁場分量。“平面外”基本上描述了所有其他位置。在所有三個方向上都有一個不同幅度的可測量磁場，并且傳感器的放置位置可以根據設計的限制進行靈活調整。

考慮到在使用平面內或平面外方向時，在大多數位置的磁場分量的輸入幅度大小通常不相等。

圖 7 不相等的磁場分量

因此，使用反正切進行計算會導致測量誤差。可以通過精心放置來實現匹配的輸入或使用數字化技術調節輸出以進行匹配，從而糾正這一問題。TMAG5170-Q1、TMAG5170D-Q1 和 TMAG5173-Q1 等器件中內置了這個歸一化功能，并且所有傳感器放置都實現了設計靈活性，而且可以通過在計算期間實施標量調整在控制器上實現此功能。

有關使用線性霍爾效應傳感器及一維或 3D 位置傳感器來測量絕對角度的更多詳細信息和指南，請參閱表 1 和表 2。