【導讀】多圈傳感器本質(zhì)上是將磁寫(xiě)入和電子讀取存儲器與傳統的磁性角度傳感器相結合，以提供高精度的絕對位置?！?/span>具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)”中描述的磁寫(xiě)入過(guò)程需要使用特定的操作窗口來(lái)維持入射磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)過(guò)高或過(guò)低，可能會(huì )出現磁寫(xiě)入錯誤。在設計系統磁體時(shí)必須小心仔細，并考慮可能干擾傳感器的任何雜散磁場(chǎng)以及產(chǎn)品使用壽命內的機械公差。較小的雜散磁場(chǎng)可能會(huì )導致測量角度出現誤差，而較大的雜散磁場(chǎng)可能會(huì )導致磁寫(xiě)入錯誤，從而引起總圈數錯誤。
摘要
基于巨磁阻(GMR)傳感技術(shù)的真正上電多圈傳感器必將徹底改變工業(yè)和汽車(chē)用例中的位置傳感市場(chǎng)，因為與現有解決方案相比，其系統復雜性和維護要求更低。本文說(shuō)明了設計磁性系統時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵因素，以確保在要求嚴苛的應用中也能可靠運行。其中還介紹了一種磁性參考設計，方便早期采用該技術(shù)。在上一篇文章中，我們介紹了多圈傳感技術(shù)以及一些關(guān)鍵應用領(lǐng)域，例如機器人、編碼器和線(xiàn)控轉向系統。
引言
多圈傳感器本質(zhì)上是將磁寫(xiě)入和電子讀取存儲器與傳統的磁性角度傳感器相結合，以提供高精度的絕對位置?！?/span>具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)”中描述的磁寫(xiě)入過(guò)程需要使用特定的操作窗口來(lái)維持入射磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)過(guò)高或過(guò)低，可能會(huì )出現磁寫(xiě)入錯誤。在設計系統磁體時(shí)必須小心仔細，并考慮可能干擾傳感器的任何雜散磁場(chǎng)以及產(chǎn)品使用壽命內的機械公差。較小的雜散磁場(chǎng)可能會(huì )導致測量角度出現誤差，而較大的雜散磁場(chǎng)可能會(huì )導致磁寫(xiě)入錯誤，從而引起總圈數錯誤。
磁性參考設計目標
設計出理想的磁體和屏蔽需要仔細了解系統要求。一般來(lái)說(shuō)，系統要求越寬松，達到目標規格所需的磁體解決方案尺寸越大、成本越高。ADI正在開(kāi)發(fā)一系列滿(mǎn)足各種機械、雜散場(chǎng)和溫度要求的磁性參考設計，可供ADMT4000真正上電多圈傳感器的客戶(hù)使用。ADI開(kāi)發(fā)的第一個(gè)設計涵蓋了公差相對寬松的系統：傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm，傳感器到旋轉軸的總位移為±0.6 mm，工作溫度范圍為–40?C至+150?C，雜散磁場(chǎng)屏蔽衰減大于90%。
磁性元件注意事項
設計磁體時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵注意事項，下一節內容概述了在為GMR傳感器進(jìn)行設計時(shí)需要考慮的主要方面。
磁體材料
GMR傳感器在定義的磁窗口（16 mT至31 mT）1內運行；此外，最大和最小工作范圍具有熱系數(TC)，如圖1中的紅色跡線(xiàn)所示。選擇TC與GMR傳感器匹配的磁體材料最大限度地提高工作磁場(chǎng)的允許變化范圍。這有助于增大磁體強度的變化和/或磁體相對于傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高于GMR傳感器，與釤鈷(SmCo)或釹鐵硼(NeFeB)等材料相比，，其工作溫度范圍有限。
了解所選磁性材料的TC以及由于制造差異而導致的磁場(chǎng)強度變化后，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場(chǎng)強度。然后可以在室溫下進(jìn)行設計仿真，同時(shí)系統將在整個(gè)溫度范圍內按預期運行的可信度高。在圖1中，綠色實(shí)線(xiàn)代表磁體根據設計應在GMR傳感器的活動(dòng)區域范圍內產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度窗口。由于磁性材料制造工藝的差異，該窗口小于GMR傳感器的最大和最小操作窗口。綠色虛線(xiàn)表示由于>5%的典型制造差異而產(chǎn)生的最大和最小預期磁場(chǎng)。
1 ADMT4000發(fā)布之前，操作窗口可能會(huì )發(fā)生變化。
磁體仿真
機械操作環(huán)境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用于設計磁體的仿真有兩種類(lèi)型：解析仿真或有限元分析(FEA)。解析仿真使用被仿真磁體的整體參數（尺寸、材料）求解出磁場(chǎng)，除了假設磁體在空氣中運行之外，不考慮周?chē)h(huán)境。這是一種快速的計算，在沒(méi)有相鄰鐵磁材料時(shí)非常有用。FEA可以對較大磁性系統中含鐵材料的影響進(jìn)行建模，在將磁體與雜散磁場(chǎng)屏蔽或靠近磁體或傳感器的鐵磁材料組合時(shí)，此操作至關(guān)重要。FEA是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，因此其通常將解析分析中的基本磁體設計作為起點(diǎn)。FEA用于對磁體和雜散場(chǎng)屏蔽的參考設計進(jìn)行仿真。
磁鐵設計特性
仿真產(chǎn)生的參考設計磁體由一個(gè)帶有集成鋼雜散場(chǎng)屏蔽的SmCo磁體組成，如圖2所示。該磁體采用注塑成型設計，因此能夠批量生產(chǎn)。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產(chǎn)復雜的形狀而很常見(jiàn)，并且廣泛用于汽車(chē)和工業(yè)應用。該組件根據設計可與直徑為9毫米的軸形成過(guò)盈配合；然而，可以對襯套進(jìn)行修改，以便連接到不同尺寸的軸。
磁體表征
我們對磁體組件進(jìn)行了仔細的表征，以展示GMR傳感器的強大磁性解決方案。表征的關(guān)鍵是能夠繪制在擴展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內磁場(chǎng)強度在受控環(huán)境中的詳細圖。表征成功的關(guān)鍵在于充分了解和校準所用的磁場(chǎng)探頭。圖3顯示了在兩個(gè)不同氣隙下測量的磁場(chǎng)強度的示例，在整個(gè)工作溫度范圍和氣隙范圍內重復這些測量非常耗時(shí)，但此操作對于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運行至關(guān)重要。
結語(yǔ)
總之，參考設計磁體已被證明能夠滿(mǎn)足在–40°C至+150°C溫度下工作的要求，氣隙為2.45 mm ±1 mm，與傳感器軸向距離公差為±0.6 mm。雜散場(chǎng)屏蔽的詳細信息將在后續文章中介紹。
ADMT4000是首款集成式真正上電多圈位置傳感器，必將顯著(zhù)降低系統設計復雜性和工作量，最終實(shí)現體積更小、重量更輕和成本更低的解決方案。該參考設計將提供給ADI的客戶(hù)，無(wú)論設計人員是否具備磁性設計能力，均能借此為當前應用添加或改進(jìn)現有功能，并為許多新應用打開(kāi)大門(mén)。
如需了解有關(guān)ADMT4000和磁性參考設計的更多信息，或聯(lián)系您當地的ADI銷(xiāo)售團隊，他們將樂(lè )于討論您的要求和應用。
圖1.工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數比較。
圖2.參考設計磁體。
圖3.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場(chǎng)分布。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過(guò)120億美元，全球員工約2.6萬(wàn)人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。
(來(lái)源：ADI公司，作者：Stephen Bradshaw，產(chǎn)品應用工程師；Christian Nau，產(chǎn)品應用經(jīng)理；Enda Nicholl，戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理)
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