巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設(shè)計(jì)

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?yàn)榕c現(xiàn)有解決方案相比，其系統(tǒng)復(fù)雜性和維護(hù)要求更低。本文說(shuō)明了設(shè)計(jì)磁性系統(tǒng)時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵因素，以確保在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中也能可靠運(yùn)行。其中還介紹了一種磁性參考設(shè)計(jì)，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(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、編碼器和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

引言

多圈傳感器本質(zhì)上是將磁寫(xiě)入和電子讀取存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的磁性角度傳感器相結(jié)合，以提供高精度的絕對(duì)位置?！熬哂姓嬲想娔芰εc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(xiàn)磁寫(xiě)入錯(cuò)誤。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)磁體時(shí)必須小心仔細(xì)，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(nèi)的機(jī)械公差。較小的雜散磁場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量角度出現(xiàn)誤差，而較大的雜散磁場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致磁寫(xiě)入錯(cuò)誤，從而引起總?cè)?shù)錯(cuò)誤。

磁性參考設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)出理想的磁體和屏蔽需要仔細(xì)了解系統(tǒng)要求。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)要求越寬松，達(dá)到目標(biāo)規(guī)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)一系列滿足各種機(jī)械、雜散場(chǎng)和溫度要求的磁性參考設(shè)計(jì)，可供ADMT4000真正上電多圈傳感器的客戶使用。ADI開(kāi)發(fā)的第一個(gè)設(shè)計(jì)涵蓋了公差相對(duì)寬松的系統(tǒng)：傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm，傳感器到旋轉(zhuǎn)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(xiàng)

設(shè)計(jì)磁體時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵注意事項(xiàng)，下一節(jié)內(nèi)容概述了在為GMR傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(nèi)運(yùn)行；此外，最大和最小工作范圍具有熱系數(shù)(TC)，如圖1中的紅色跡線所示。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(qiáng)度的變化和/或磁體相對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化后，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。然后可以在室溫下進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，同時(shí)系統(tǒng)將在整個(gè)溫度范圍內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行的可信度高。在圖1中，綠色實(shí)線代表磁體根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)在GMR傳感器的活動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)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。綠色虛線表示由于>5%的典型制造差異而產(chǎn)生的最大和最小預(yù)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(jī)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(shè)計(jì)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(shù)（尺寸、材料）求解出磁場(chǎng)，除了假設(shè)磁體在空氣中運(yùn)行之外，不考慮周?chē)h(huán)境。這是一種快速的計(jì)算，在沒(méi)有相鄰鐵磁材料時(shí)非常有用。FEA可以對(duì)較大磁性系統(tǒng)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(shè)計(jì)作為起點(diǎn)。FEA用于對(duì)磁體和雜散場(chǎng)屏蔽的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。

磁鐵設(shè)計(jì)特性

仿真產(chǎn)生的參考設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，因此能夠批量生產(chǎn)。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產(chǎn)復(fù)雜的形狀而很常見(jiàn)，并且廣泛用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用。該組件根據(jù)設(shè)計(jì)可與直徑為9毫米的軸形成過(guò)盈配合；然而，可以對(duì)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(duì)磁體組件進(jìn)行了仔細(xì)的表征，以展示GMR傳感器的強(qiáng)大磁性解決方案。表征的關(guān)鍵是能夠繪制在擴(kuò)展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度在受控環(huán)境中的詳細(xì)圖。表征成功的關(guān)鍵在于充分了解和校準(zhǔn)所用的磁場(chǎng)探頭。圖3顯示了在兩個(gè)不同氣隙下測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度的示例，在整個(gè)工作溫度范圍和氣隙范圍內(nèi)重復(fù)這些測(cè)量非常耗時(shí)，但此操作對(duì)于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運(yùn)行至關(guān)重要。

結(jié)語(yǔ)

總之，參考設(shè)計(jì)磁體已被證明能夠滿足在–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(xì)信息將在后續(xù)文章中介紹。

ADMT4000是首款集成式真正上電多圈位置傳感器，必將顯著降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和工作量，最終實(shí)現(xiàn)體積更小、重量更輕和成本更低的解決方案。該參考設(shè)計(jì)將提供給ADI的客戶，無(wú)論設(shè)計(jì)人員是否具備磁性設(shè)計(jì)能力，均能借此為當(dāng)前應(yīng)用添加或改進(jìn)現(xiàn)有功能，并為許多新應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。

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圖1.工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數(shù)比較。

圖2.參考設(shè)計(jì)磁體。

圖3.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場(chǎng)分布。