最完整的磁阻角度和線性位置測量系統(tǒng)解決方案

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，比如機床速度控制、起重機角度控制、無刷直流電機和其他工業(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，集成信號調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動器，以及用于溫度補償?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AMR傳感器和一個固定增益(標稱值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。T輸出電壓范圍與電源電壓成比例。

傳感器含有兩個互成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，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。如果片選信號變?yōu)榈碗娖綍r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通道。數(shù)字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個數(shù)據(jù)流包括1個前導(dǎo)零，隨后是3個狀態(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個時鐘周期，則兩個數(shù)字字均可從一個通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)線路上訪問兩個通道。

AD7866的兩個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，并允許對系統(tǒng)進行軟件溫度校準。

磁阻(MR)理論

磁阻是存在外部磁場時，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。

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

有效利用AMR效應(yīng)要求導(dǎo)體自身必須對機械應(yīng)力材料不敏感，但對磁約束敏感。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

透磁合金條有兩個屬性，創(chuàng)建角度測量系統(tǒng)時會具有設(shè)計挑戰(zhàn)性。

首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(qū)(見圖3)。僅當磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度變大時，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飽和。

圖3.透磁合金電阻與磁場的關(guān)系

其次，透磁合金對極性不敏感。無論磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度是正或負，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

磁場強度

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

選擇磁體時，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)，則可能需要更強或更大的磁體才能確保達到最小磁場強度要求。

圖6.用于轉(zhuǎn)軸角度測量的磁體方向與氣隙