NSM3502：双码道霍尔的国产落地

2026年7月底，纳芯微发布国内首款双码道霍尔编码器NSM350x系列。其中包括NSM3500、NSM3501和NSM3502，分别对应1.28mm、1.5mm和2mm磁间距游标磁环，全系列兼容16、32和64对极外码道设计，可满足多样化应用需求。目前NSM3502已率先开放样片申请。

“双码道游标算法”这个技术路线在国际市场上，德国iC-Haus、美国Broadcom等半导体公司已布局多年。但在国产芯片领域，将霍尔效应传感原理与双码道游标架构集成在同一颗芯片上，NSM350x是第一款。

一、为什么需要双码道霍尔编码器

1、关节中空化：离轴成为刚需

协作机器人和人形机器人的关节模组正朝着中空化方向演进。动力线、编码器信号线、制动器控制线甚至冷却管路需要从关节旋转中心穿过。传统的端轴（Shaft-end）编码器方案——传感器套在旋转轴上——直接占用了轴向空间，迫使线缆绕行，增加了走线复杂度和关节体积。

离轴（Off-axis）方案应运而生：将传感器移到旋转轴的侧面，让磁环围绕轴心旋转，芯片从径向位置感知磁场变化。传感器不再“挡住”轴心，中空结构得以实现。

2、四条技术路线，各有取舍

离轴安装本身并不难实现。目前四种主流技术路线：光电、电感、电容、磁式，都支持离轴架构，主要的分歧在于：离轴之后，精度多高、成本多重。

精度上，光电方案是标杆，码盘可以做到角秒级。但光学码盘对粉尘油污几乎没有容忍度，协作机器人车间里的铝屑和润滑油对它来说是致命环境——即使做密封，长期可靠性也是问题。中空轴光电方案更甚，成本决定了它走不出高端机床。

电感式是离轴场景中综合表现最亮眼的一条路线。不依赖永久磁场，电机漏磁拿它没办法；粉尘油污也不影响电涡流感应。以纳芯微自己的MT6901为例，双码道游标算法，最高可实现23bit输出、适配恶劣工业环境。电感式的代价主要在物料——需要精密加工的金属靶盘替代磁环，靶盘平面度稍微差一点，精度曲线就塌了。量产成本相对磁式偏高。

电容式体积可以做到很小、功耗极低，但在协作机器人关节的主流应用中，其精度和分辨率相对磁式和电感式不占优势。

磁式是这四条路线里，在关节场景中投入产出比相对最均衡的。磁环就是一块充好磁的铁氧体或钕铁硼，价格远低于光学码盘和金属靶盘；对粉尘油污的容忍度也远超光电；精度在多数工业场景下足够。同时，产量上去了，物料成本自然往下掉。因此，在对成本敏感、空间紧凑、且电机磁干扰可控的场景下，霍尔方案仍然是务实的选择。在磁式方案内部，又有霍尔、AMR、GMR、TMR等不同技术分支。NSM350x系列采用的是霍尔技术，技术最成熟、成本最低、应用最广。在国产产品中，传统离轴方案以单码道霍尔编码器为主。要理解为什么这些方案不够用，需要分两个层面来看：单码道架构本身的能力上限，和所有磁式编码器共同面对的工程难题。

3、单码道的局限

单码道霍尔编码器使用一组霍尔阵列感应单个码道的磁场信号，在单个对极内可以输出该对极范围内的绝对角度。但在多对极磁环上，它无法区分当前处于哪一个磁极周期——不同对极的相同机械角度位置，霍尔阵列感应的磁场分布是相同的。上电后需要通过Z信号或机械回零来确定所在机械位置。双码道游标架构绕过了这个限制：两路极距不同的码道在同一个机械角度上产生不同的电角度读数，相位差在整圈内唯一，游标算法一次计算直接得到整圈机械角度。

对于多轴协作机器人，每次上电都做一遍全轴回零，不仅耗时，还增加机械磨损。

4、场景难题

离轴安装意味着芯片位置紧邻电机本体。永磁同步电机的转子漏磁、绕组电流产生的杂散磁场，在传感器位置能达到几十mT级别的干扰。一般要么加装高导磁屏蔽罩（增加体积和BOM成本），要么接受精度损失。

此外，一颗传感器的标称精度是在理想安装条件下测得的。产线上的实际情况是：PCB贴片有位置偏差，磁环装配有偏心，机械结构有累积公差。如果传感器要求0.05mm级别的安装精度，产线就需要精密定位夹具和逐台校准，在消费级或大批量工业品上又是一笔巨大成本。

二、双码道+霍尔：NSM350x的技术方案（以NSM3502为例）

1、核心架构：主码道与游标码道的配合

NSM3502的传感核心是两组集成在片上的霍尔阵列，分别对应主码道（Master Track）和游标码道（Nonius Track）。

两组霍尔阵列各自感应磁环旋转产生的正弦/余弦磁场变化，经模拟前端放大和滤波后，由ADC转换为数字量，进入DSP进行arctan角度解算。两路码道的极距/极对数存在微小差异，通过游标算法对两路角度信号进行相位差运算，最终合成单圈绝对机械角度。这一原理类似游标卡尺的“主尺+游标尺”配合，通过相位差实现更高的绝对位置分辨率。

这一工作流程可以概括为：霍尔阵列 → 模拟前端（放大、滤波）→ ADC → DSP（补偿、校准、游标合成）→ 输出接口（SPI / UART / ABZ / UVW / PWM）。

NSM3502合成后的绝对角度分辨率最高可达22bit，对应DNL（差分非线性）典型值±0.005°。

2、差分霍尔：内在的抗干扰能力

NSM3502采用差分方式检测垂直于芯片表面的磁场分量。差分结构天然具备共模抑制能力：外部杂散磁场（比如电机漏磁）对两个差分霍尔元件的影响近似相同，在差分输出中被抵消。

这意味着在电机旁边这类强干扰环境下，芯片不依赖外部磁屏蔽罩即可维持标称精度。对于空间紧凑的机器人关节，省去屏蔽罩的体积和成本直接转化为设计余量。

3、四层精度补偿机制：按需选择

一颗磁编码器的标称精度和它在实际系统中的精度差距，主要来自磁环充磁不均匀、安装偏心、机械公差和温度漂移。NSM3502提供了四层精度递进的补偿机制：

• 出厂基础校准。在芯片工厂完成，处理霍尔阵列本身的失调、增益失配和温度补偿。校准后的INL（积分非线性）典型值为±0.5°，这是一颗“即插即用”的基础精度。
• 客户端简洁自校准。工程师将芯片和磁环安装到位后，让磁环以非匀速旋转——不需要精密转台，转速在40~3000对极/分钟之间，至少覆盖16个对极——拉高CAL_EN引脚或写入寄存器即可触发。芯片内部算法自动补偿每对极的充磁不均匀带来的失调、幅度误差和相位误差。校准完成后INL降至±0.3°。
• 游标微调。使用纳芯微配套编程器及上位机软件完成，校准磁环及安装引入的游标误差，涉及游标算法内部的精密参数。需要在简洁自校准后执行。
• 匀速自校准。在游标微调已完成的前提下，系统以匀速运转（速度波动＜±3‰），旋转64圈以上，芯片自动计算非线性补偿参数并烧录到EEPROM。完成后INL典型值降至±0.1°。

校准状态可通过PWM引脚波形或SPI的CAL_STATE寄存器实时监控，校准参数自动保存进内置EEPROM，后续上电自动加载，不需每次启动重新校准。每层精度补偿有各自的使用条件和结果预期，工程师可按实际需求选择。

三、应用：工程适配能力

22bit分辨率和四层校准体系解决了“怎么测准”的问题，下面从机械安装、诊断报警和输出接口三个角度，看NSM3502的工程适配性。

1、离轴的机械设计自由度

NSM3502的机械安装参数直接体现了离轴方案的工程优势：

0.5mm的径向和切向公差意味着芯片安装不需要精密定位夹具。在大多数机器人关节模组的PCB贴片精度下，这个公差带是充裕的。

磁环支持16、32、64三种对极配置，对应主码道直径分别为20.37mm、40.74mm和81.49mm，覆盖从小型协作机器人关节到大型工业关节的尺寸范围。以32对极配置为例，芯片中心到轴心距离为18.37mm，对应的中空孔径约36mm——足以穿过动力线和信号线束。不同对极数下芯片支持的最大转速也有差异：16对极磁环下最高24000RPM，32对极下12000RPM，64对极下6000RPM。

2、诊断与报警

NSM3502内部集成了多维度诊断系统，通过DIAG_CODE寄存器和FAULT引脚输出告警：

• 弱磁/强磁报警：对应磁环安装距离异常、磁环退磁或缺失；
• 超速报警：内部解析速度超过阈值（可配置100/200/400/600Hz）；
• NVM CRC校验失败：EEPROM数据完整性异常——此项不设消抖，直接报警；
• 欠压报警：供电低于2.55V触发，恢复阈值2.75V（25%迟滞）；
• 过温报警：芯片内部温度超过报警阈值（用户自行设定）时触发，迟滞可配置为0.5°C或1°C。NSM3502 的工作温度范围为-40°C~125°。

故障检测设有消抖逻辑：连续16个故障周期才置位故障标志，连续64个正常周期才清除，避免瞬时干扰导致误报。唯一的例外是NVM_CRC——存储器层面的硬故障不需要消抖。

故障确认后，芯片行为可配置：DIAG_ENC_RST寄存器决定ABZ/UVW输出在故障时是继续输出还是强制置零。对于安全关键系统，后者的意义在于不让上位机消费一个"看起来正常但可能错误"的角度值。

3、输出接口

NSM3502支持ABZ、SPI、UART、PWM、UVW五种输出方式，每种面向不同的场景：

• SPI提供22bit完整角度数据和全部寄存器/EEPROM操作能力。写操作需要双重安全锁：先发服务模式密钥（0x5E5A3E）进入服务模式，再写入0x185E到地址0x86开启用户写权限。Fast Read模式支持流水线式连续读取，MISO当前帧返回的是上一帧请求的数据，提高有效更新率。
• PWM输出分辨率为12bit，频率三档可编程——1KHz、2KHz、0.5KHz。极性可翻转，上升/下降沿时间1µs以内。
• ABZ分辨率1~65536脉冲/圈可编程，Z信号宽度可配置。65536脉冲/圈下最大频率4.096MHz，超过此频率后INL会下降。
• UVW模拟换相信号，每对极输出1~64对极可编程，一颗芯片同时解决换相和位置反馈。
• UART支持2.5Mbps和4Mbps，配备Safety功能使能位和94字节用户自定义数据区。

四、定位：NSM350x市场坐标

NSM350x的定位，需要在两个坐标系中验证：一是在纳芯微自己的产品线中，它与已有型号的差异是什么；二是在市场上，它与国际竞品的距离在哪里。

1、内部坐标：在自家产品线中的位置

纳芯微此前已构建覆盖霍尔式与AMR磁阻式的磁编码器产品体系。2026年初，推出基于电涡流感应原理的MT6901双码道游标算法电感编码器芯片。随着NSM350x系列发布，纳芯微成为国内首家同时拥有磁感应与电涡流感应两种技术路线双码道游标编码器产品的芯片企业。

各型号的定位差异在技术路线上泾渭分明：

• MT6901（电涡流感应+双码道游标）：精度高，对粉尘、油污和强磁干扰不敏感，面向恶劣工业环境；
• MT6620/MT6728（霍尔+单码道）：支持离轴安装，单码道架构，精度较低；
• NSM350x系列（霍尔+双码道游标）：在霍尔技术路线上实现双码道游标架构。

在纳芯微的产品矩阵中，NSM350x系列填补的是"霍尔+双码道游标"的空白。

2、外部坐标：对照国际竞品

"霍尔+双码道游标"方案在国际市场已有十余年发展历史。几款主流产品勾勒出这条技术路线的竞争格局：

德国iC-Haus iC-MU系列是该路线的成熟代表。iC-MU集成霍尔传感器，通过主码道和游标码道两个独立通道在单机械周期内提供绝对位置。提供1.28mm、1.5mm和2.0mm三种极距规格——其中iC-MU200的2.0mm极距与NSM3502相同，通过了AEC-Q100车规认证。iC-MU的绝对角度分辨率随极对数变化：16对极下18bit，32对极下19bit，64对极下20bit（滤波后）。接口支持SSI、BiSS、SPI及增量信号输出。

Broadcom AEAT-9988M采用集成霍尔元件和双轨磁体设计，绝对分辨率16至23位可编程，增量ABI分辨率1~65536 CPR可编程，UVW换向信号支持1~64对极。

NSM3502的22bit分辨率处于上述产品的主流区间。在"霍尔原理+双码道游标算法"这条赛道上，国际厂商的产品经过了多代迭代和大量应用验证，NSM3502参数上比起顶尖产品还是会略有不足，它的价值在于为市场提供了一个可用的国产方案。

五、结语

NSM350x系列的发布，使得国产磁编码器在“霍尔+双码道游标”这条技术路线上完成了从无到有的卡位。

从纳芯微自身的演进来看，MT6620在单码道霍尔上实现了离轴，MT6901在电涡流感应的路线上走到了双码道游标，而NSM350x系列把这两条线交汇在了一起——在霍尔原理上实现双码道游标架构。三颗芯片各自解决不同场景的问题，共同构成了纳芯微在离轴编码器市场的产品矩阵。

从行业角度看，一条技术路线上有了国产选项，意味着下游的协作机器人、人形机器人、AGV舵轮等厂商在供应链上多了一个选择。这个选择的实际价值：成本、交期、本地化技术支持等等，往往比参数表上的小数点更重要。

NSM3502目前已开放样片申请，如需了解更多或申请样片，可联系：sky.xu@chiplinkstech.com；徐工，18820174321。

附样片申请：

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