磁阻角度與線性位置測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

 磁阻角度與線性位置測量系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)被應(yīng)用到電機(jī)的控制上，應(yīng)用十分廣泛。下文就給出了該種測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。包括硬件選型，軟件仿真與測試結(jié)果。

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示緊湊型雙芯片電路提供非接觸式各向異性磁阻(AMR)測量解決方案，可用于角度或線性位置測量。該雙芯片系統(tǒng)在180°范圍內(nèi)具有優(yōu)于0.2°的角精度，在0.5英寸范圍內(nèi)具有2 mil(0.002英寸)線性精度，具體取決于所用磁體的尺寸。

該電路適用于高速、高精度、非接觸式角度和長度測量關(guān)鍵型應(yīng)用，比如機(jī)床速度控制、起重機(jī)角度控制、無刷直流電機(jī)和其他工業(yè)或汽車應(yīng)用。

圖1.磁阻角度和線性檢測系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)

電路描述

ADA4571是一款各向異性磁阻(AMR)傳感器，集成信號(hào)調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器，以及用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鳌?/p>

ADA4571產(chǎn)生兩路模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。

ADA4571集成一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益(標(biāo)稱值G = 40)儀表放大器。ADA4571可提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場角度的干凈且經(jīng)過放大的余弦和正弦輸出信號(hào)。T輸出電壓范圍與電源電壓成比例。

傳感器含有兩個(gè)互成45°角的透磁合金惠斯登電橋。x-y傳感器平面的旋轉(zhuǎn)磁場提供兩路正弦輸出信號(hào)，且傳感器與磁場方向的角度(α)頻率翻倍。在x-y平面的均質(zhì)場內(nèi)，輸出信號(hào)與z方向(氣隙)的物理位置無關(guān)。

正弦和余弦輸出端的輸出電壓擺幅范圍為7% VDD至93% VDD.有兩個(gè)診斷頻段(VDD的0%至7%和VDD的93%至100%)，因而可向所有內(nèi)部連接提供焊線斷開檢測。

ADA4571采用8引腳SOIC封裝。

VSIN和VCOS輸出的輸出阻抗為50Ω，采用外部10 nF電容時(shí)組成318 kHz噪聲濾波器。

AD7866是一款雙通道、同步采樣、12位、1 MSPS SAR ADC.RANGE引腳的極性確定模擬輸入范圍和輸出編碼。如果片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)該引腳連接邏輯高電平，則下次轉(zhuǎn)換的模擬輸入范圍為0 V至2×VREF(0 V至5 V)，為ADA4571 AMR傳感器的0.35 V至4.65 V信號(hào)提供大約350 mV裕量。

將REFSEL引腳連接至低電平可配置ADC使用內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源。VREF引腳提供該電壓，但將其用于系統(tǒng)的其他位置前必須先使用緩沖器。DCAPA引腳和DCAPB引腳采用470 nF電容去耦，確保ADC正常工作。

AD7866同步采樣傳感器的兩個(gè)通道。數(shù)字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個(gè)數(shù)據(jù)流包括1個(gè)前導(dǎo)零，隨后是3個(gè)狀態(tài)位，再加上12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，保持CS引腳為低電平并持續(xù)額外16個(gè)時(shí)鐘周期，則兩個(gè)數(shù)字字均可從一個(gè)通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)線路上訪問兩個(gè)通道。

AD7866的兩個(gè)ADC輸入均帶有雙通道多路復(fù)用器。A0輸入引腳上的邏輯0允許A1和A2輸入端轉(zhuǎn)換，而A0輸入引腳上的邏輯1允許B1和B2輸入端轉(zhuǎn)換。ADA4571的溫度傳感器輸出連接AD7866的B1輸入，并允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件溫度校準(zhǔn)。

磁阻(MR)理論

磁阻是存在外部磁場時(shí)，材料改變其電阻值的能力。最常用的MR傳感器基于AMR技術(shù)。

圖2.各向異性磁阻示例

AMR效應(yīng)示例如圖2所示。電流(I)流過導(dǎo)體，受外部磁場(HY)影響。導(dǎo)體電阻的變化與磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度成函數(shù)關(guān)系。磁化矢量是內(nèi)部磁場(HX)與施加的外部磁場(HY)的凈求和結(jié)果。

當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時(shí)，具有最大電阻。當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)垂直時(shí)，具有最小電阻。

有效利用AMR效應(yīng)要求導(dǎo)體自身必須對(duì)機(jī)械應(yīng)力材料不敏感，但對(duì)磁約束敏感。由于這些原因，透磁合金(80%鎳，20%鐵)是AMR傳感器制造中最常用的合金。

透磁合金屬性

透磁合金條有兩個(gè)屬性，創(chuàng)建角度測量系統(tǒng)時(shí)會(huì)具有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性。

首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(qū)(見圖3)。僅當(dāng)磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度變大時(shí)，響應(yīng)才是線性的。不幸的是，線性響應(yīng)不久后透磁合金就會(huì)飽和。

圖3.透磁合金電阻與磁場的關(guān)系

其次，透磁合金對(duì)極性不敏感。無論磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度是正或負(fù)，透磁合金條的電阻都將下降。

雙色條磁極

改善透磁合金條線性度和磁極非敏感特性的常用方法是與金屬條的軸向成45°添加鋁條(稱為雙色條磁極，如圖4所示)。雙色條磁極間流動(dòng)的任何電流都將走最短的路徑——垂直路徑，并且電流矢量(I)和磁化矢量(M)之間的角度偏移45°。

圖4.透磁合金條的雙色條磁極效應(yīng)

圖5顯示向透磁合金條中加入雙色條磁極后的結(jié)果。電流矢量偏移45，但磁化矢量保持不變。注意，線性特性現(xiàn)在存在于圖形的中央部分。

圖5.雙色條磁極透磁合金電阻與磁場的關(guān)系

磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度至少為25 kA/m，才能確保滿足ADA4571數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格。該激勵(lì)磁場必須與ADA4571封裝內(nèi)傳感元件的中央部分相交。

選擇磁體時(shí)，需考慮傳感器和磁體之間的氣隙，如圖6所示。如果磁體未靠近傳感器放置(即距離d極大)，則可能需要更強(qiáng)或更大的磁體才能確保達(dá)到最小磁場強(qiáng)度要求。

圖6.用于轉(zhuǎn)軸角度測量的磁體方向與氣隙

傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

標(biāo)準(zhǔn)AMR傳感器由兩個(gè)惠斯登電橋組成，互相之間的相對(duì)角度為45°，如圖7所示。

圖7. ADA4571雙惠斯登電橋配置

旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生正弦和余弦輸出信號(hào)，如圖8所示。兩個(gè)信號(hào)在180°范圍內(nèi)均為周期信號(hào)，因此沒有額外元件或參考點(diǎn)就無法進(jìn)行全方位360°測量檢測。

圖8.磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

ADA4571傳感器標(biāo)稱靈敏度為每通道52 mV/°，這意味著磁化矢量和傳感器方向之間的每一度變化都會(huì)產(chǎn)生52 mV的輸出電壓改變。角度的靈敏度并非常量。靈敏度下降的部分是線路斜率接近零時(shí)的輸出部分。

如圖8所示，余弦輸出(綠線)在磁化矢量角度接近0°、90°、180°或270°時(shí)損失靈敏度。類似地，正弦輸出(紅線)在磁化矢量角度接近45°、135°、225°和315°時(shí)損失靈敏度。幸運(yùn)的是，當(dāng)一個(gè)通道的靈敏度降低時(shí)，另一個(gè)通道處于高靈敏度區(qū)域。

系統(tǒng)帶寬、磁場旋轉(zhuǎn)

磁場角度矢量是理解電路帶寬的重要內(nèi)容。ADC每微秒轉(zhuǎn)換一個(gè)樣本。為了獲得1°分辨率，磁場1 ms只能移動(dòng)1°(2.778 kHz)，否則ADC無法以足夠高的速度進(jìn)行采樣，以便跟上磁場變化的速度。對(duì)于1 MSPS ADC，這表示磁場的最大可用角速度為2.778 kHz.

旋轉(zhuǎn)測量測試結(jié)果

將直徑方向的N42磁體(直徑= 0.5英寸，厚度= 0.125英寸)連接至金屬桿的末端。精密直流電機(jī)可對(duì)金屬桿進(jìn)行精細(xì)角度控制。傳感器精確安裝在磁體正面。氣隙設(shè)為2 mm.只要磁鐵激勵(lì)使傳感器完全飽和，則結(jié)果便與氣隙基本無關(guān)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，創(chuàng)造出與傳感器相交的旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而產(chǎn)生重復(fù)性正弦和余弦輸出電壓，適合進(jìn)行角度計(jì)算和數(shù)據(jù)采集。

圖9顯示了該設(shè)置的功能框圖。圖10是該設(shè)置的照片，可用來采集軸尾配置的數(shù)據(jù)。該設(shè)置由無刷直流電機(jī)、物理安裝、磁體和集成相應(yīng)ADA4571傳感器的PCB組成。

圖9.數(shù)據(jù)采集測試設(shè)置——軸尾配置

圖10.無刷直流電機(jī)基準(zhǔn)測試設(shè)置照片

圖11通過磁體的多次轉(zhuǎn)動(dòng)，將電機(jī)的機(jī)械角與傳感器的計(jì)算磁場角相比較。該計(jì)算利用兩個(gè)輸出之比的反正切函數(shù)。未進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，誤差接近±1°。

圖11.失調(diào)校正前的角誤差與機(jī)械角之間的關(guān)系

圖12顯示僅有一次失調(diào)校正的誤差。無需針對(duì)正弦和余弦的幅度失配、非線性度或正交性校正進(jìn)行額外調(diào)節(jié)。使用每個(gè)通道的峰峰值或平均值可確定失調(diào)值，因?yàn)樗灤┱麄€(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)。從對(duì)應(yīng)通道中減去失調(diào)，以獲得線性傳感器響應(yīng)。最大誤差接近±0.2°，而該范圍內(nèi)的絕大部分誤差小于±0.1°。

圖12.僅針對(duì)失調(diào)進(jìn)行校正后的角誤差與機(jī)械角的關(guān)系

PCB布局考慮

CN-0368系統(tǒng)的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論述，請(qǐng)參見MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見MT-101指南。

所有IC的電源應(yīng)當(dāng)用1μF和0.1μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。對(duì)于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。通過數(shù)字地將時(shí)鐘及其它快速開關(guān)數(shù)字信號(hào)屏蔽起來，使之不影響電路板的其它器件。圖13為PCB的照片。

圖13. EVAL-CN0368-SDPZ板的照片

常見變化

如需1 MSPS以上采樣速率，應(yīng)考慮使用下列同步采樣ADC;

如需12位或14位以上的分辨率，可使用AD7655(1 MSPS時(shí)為16位)。

電路評(píng)估與測試

本電路使用EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)板和EVAL-CN0368-SDPZ電路板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。

EVAL-SDP-CB1Z板與CN0368評(píng)估軟件一同使用，捕獲EVAL-CN0368-SDPZ電路板的數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

帶USB端口和Windows XP(32位)、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC

EVAL-CN0368-SDPZ電路板

EVAL-SDP-CB1Z SDP板

6 V電源或壁式電源適配器

CN0368評(píng)估軟件

傳感器封裝處磁場強(qiáng)度不低于25 kA/m的釹磁體

開始使用

將CN0368評(píng)估軟件光盤放入PC，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。

功能框圖

圖14所示為測試設(shè)置的功能框圖。

圖14.測試設(shè)置框圖

設(shè)置

將EVAL-CN0368-SDPZ上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z上的連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。

在斷電情況下，將6 V直流管式插孔連接到J4連接器。將EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

將釹磁體直接放置在IC之上，或置于專為旋轉(zhuǎn)磁體而設(shè)計(jì)的夾具中，使IC和磁體的距離最短。

使磁場的其他來源遠(yuǎn)離IC很重要，因?yàn)槿魏坞s散磁場都會(huì)使傳感器輸出電壓產(chǎn)生誤差。

測試

為直流管式插孔、J4連接器上電。啟動(dòng)CN0368評(píng)估軟件，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z來發(fā)送、接收和捕捉來自EVAL-CN0368-SDPZ的串行數(shù)據(jù)。