AS5600 磁编码器学习笔记

一、AS5600 是什么？

AS5600 是 AMS（现 ams OSRAM）推出的一款 非接触式磁角度传感器，通过检测轴端磁铁的磁场方向直接输出 0–360° 的绝对角度信息，是一种磁性绝对角度传感器。其核心特点是上电即可获知当前位置，不依赖脉冲累积，不会因掉电而丢失位置信息。常见输出方式包括 I²C 数字角度（12 位，4096 分辨率）、PWM 占空比以及模拟电压，适合用于需要明确角度反馈、位置不允许漂移的场合，如舵机角度检测、旋转关节位置反馈等。

AS5600产品手册AS5600-DS000365.pdf

核心特性

• 分辨率：12 bit（0 ~ 4095）
• 角度范围：0° ~ 360°
• 输出方式：
  • I²C（数字）
  • 模拟电压（0~VCC）
  • PWM
• 供电电压：3.3V / 5V
• 非接触、无磨损，适合长期运行

二、工作原理（通俗理解）

• 在 AS5600 正上方放置一颗 径向磁铁
• 芯片内部霍尔阵列检测磁场方向
• 内部 CORDIC 算法计算出角度
• 输出为一个 12 位的角度值

角度映射关系：

0      → 0°
2048   → 180°
4095   → 360°（≈ 0°）

三、磁铁安装要点（非常关键）

磁铁要求

• 直径：6mm / 8mm 常见

• 厚度：2~3mm

• 磁化方式：径向磁化（Radial Magnetization）

  

安装位置

• 磁铁中心 对准 AS5600 中心
• 距离：1mm ~ 3mm 最佳
• 偏心或距离不对 → 抖动、非线性、角度跳变

⚠️ FOC 项目里，90% 的“角度不稳”问题都不是代码，而是磁铁问题

四、AS5600 寄存器速览（I²C）

I²C 地址（7 位）：

0x36

输出寄存器：

状态寄存器

1. STATUS 寄存器

该寄存器用于反馈 AS5600 的运行状态，各 bit 高电平对应的状态及实际用途如下：

正常状态的 STATUS 寄存器特征是：MD=1，MH=0，ML=0，对应 “磁体存在且强度适配” 的工作条件。

STATUS = 0x1A

def read_status():
    return i2c.readfrom_mem(0x36, STATUS, 1)[0]

s = read_status()
md = (s >> 5) & 1
ml = (s >> 4) & 1
mh = (s >> 3) & 1

print("MD:", md, "ML:", ml, "MH:", mh)

启用自检

def as5600_ok():
    s = read_status()
    agc = read_agc()

    md = (s >> 5) & 1
    ml = (s >> 4) & 1
    mh = (s >> 3) & 1

    if not md:
        return False
    if ml or mh:
        return False
    if agc < 50 or agc > 200:
        return False

    return True

2. AGC 寄存器

AS5600 内部为了“看清磁场”，自动调放大倍数,这个放大倍数的“当前值”，就放在 0x1A。

• 核心功能：AS5600 通过闭环自动增益控制，适配磁体磁场强度的动态变化（如温度波动、磁体老化），保障内部信号的稳定性。
• 工作逻辑：AGC 值反映当前增益水平，理想状态下该值应处于范围中间，以兼顾磁场波动的适配能力。
• 增益范围：
  • 5V 供电时，AGC 范围为 0-255（8 位精度）；
  • 3.3V 供电时，AGC 范围缩减为 0-128（7 位精度）。

3. MAGNITUDE 寄存器

该寄存器输出内部 CORDIC（坐标旋转数字计算机）模块的磁场强度数值，通常与 AGC 寄存器配合使用，更精准地评估磁体与芯片的匹配状态。

五、MicroPython 读取 AS5600（ESP32 示例）

1. 硬件连接

2. 基础读取代码

from machine import I2C, Pin
import time
import math

AS5600_ADDR = 0x36
RAW_ANGLE_H = 0x0C
RAW_ANGLE_L = 0x0D

i2c = I2C(
    0,
    scl=Pin(7),
    sda=Pin(6),
    freq=100000
)

def read_raw_angle():
    high = i2c.readfrom_mem(AS5600_ADDR, RAW_ANGLE_H, 1)[0]
    low  = i2c.readfrom_mem(AS5600_ADDR, RAW_ANGLE_L, 1)[0]
    angle = ((high << 8) | low) & 0x0FFF
    return angle

def read_angle_deg():
    raw = read_raw_angle()
    return raw * 360.0 / 4096.0

while True:
    print("Angle:", read_angle_deg())
    time.sleep(0.1)

六、角度展开（多圈角度，FOC 必备）

AS5600 是一种磁性绝对角度传感器，能够直接测量轴的单圈绝对角度，输出范围为θ∈[0,2π)AS5600 本身不提供多圈信息，即无法直接知道轴一共转过多少圈。
因此，在需要位置累计或多圈角度的应用中，通常通过软件方式对角度进行扩展。

基本思想

通过比较相邻两次采样的角度变化，判断是否发生了 0 / 2π 的回绕（溢出），从而在软件中累计完整转数。

当轴连续旋转时，AS5600 的角度输出会在 2π → 0（或 0 → 2π）处产生跳变，该跳变可作为“转过一整圈”的判据。

原理

• 记录上一次角度

• 判断是否跨过 0°/360°

• 累加圈数
  d_angle = val - angle_prev;
  正常情况下：|d_angle| << 2π
  发生回绕时：|d_angle| ≈ 2π
  回绕判断条件if (abs(d_angle) > 0.8f * 2π)
  说明：

• 0.8 × 2π 是一个工程经验阈值

• 用于区分：

  • 正常角度变化
  • 跨越 0 / 2π 边界的回绕事件

• 隐含前提：
  单次采样周期内，轴转动角度小于 0.8 圈

last_angle = 0
turns = 0

def read_angle_continuous():
    global last_angle, turns
    angle = read_angle_deg()

    delta = angle - last_angle
    if delta > 180:
        turns -= 1
    elif delta < -180:
        turns += 1

    last_angle = angle
    return angle + turns * 360

使用 180° 阈值的隐含前提：

|真实转角变化| < 180°

解释：

如果两次采样之间，转子实际旋转小于半圈：

• delta > 180° 只可能发生在逆向跨零（360° → 0°）
• delta < -180° 只可能发生在正向跨零（0° → 360°）

在这个前提下：

• delta > 180° → turns -= 1 (逆时针跨零)
• delta < -180° → turns += 1 (顺时针跨零)

误判不会发生。

也就是说：

• 以上代码使用 180° 默认了一个关键前提：每次采样旋转 < 180°
• 如果采样快或转速慢 → 180°（半圈） 安全、简单、直观
• 如果采样慢或转速快 → 必须用 288° （0.8*360° 0.8圈）判定，防止误判

七、AS5600 在 BLDC FOC 中的作用

FOC（磁场定向控制）算法的核心是精确、实时地知道转子的电角度θ。AS5600 正是用来提供这个关键的转子位置信息的传感器。控制器根据这个角度信息，通过 Clarke/Park 变换等一系列算法，计算出施加到电机定子上的最佳电压矢量，从而实现电机的平滑、高效、静音控制。

FOC 核心需要的是转子电角度 θₑ，AS5600 提供的是 机械角度 θₘ

1. 机械角度 → 电角度

θₑ = θₘ × 极对数
即电角度 = 机械角度 × 电机极对数

例如：

• 电机极对数 = 7
• AS5600 测得角度 = 30°

θₑ = 30 × 7 = 210°

代码示例：

POLE_PAIRS = 7

def get_electrical_angle():
    mech_angle = read_angle_continuous()
    elec = mech_angle * POLE_PAIRS
    return elec % 360

2. 在 FOC 控制环中的位置

AS5600 → θ
        ↓
   Clarke 变换
        ↓
   Park 变换
        ↓
   PID(Id, Iq)
        ↓
   反 Park
        ↓
   SVPWM
        ↓
   MOSFET

八、项目级注意事项（经验总结）

1. 抖动与滤波

• AS5600 本身有微抖
• 建议：
  • 滑动平均
  • 一阶低通

alpha = 0.2
angle_filt = 0

def lowpass(angle):
    global angle_filt
    angle_filt = angle_filt * (1 - alpha) + angle * alpha
    return angle_filt

2. 启动对齐（Align）

• FOC 启动时必须：
  • 给定固定电角度
  • 锁定转子
  • 读取 AS5600
  • 建立零点偏移

θ_offset = θ_encoder - θ_command

3. 常见坑

• 磁铁没对准 → FOC 永远不稳
• 极对数错 → 电机震动、啸叫
• I²C 速度太高 → 丢数据
• 未做多圈 → 速度计算异常

九、AS5600 vs 其他编码器（简述）