汽车应用中的磁阻传感器

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磁阻效应支持汽车内的多种传感器应用。磁阻传感器主要用来测量机械系统的速度和角度。这样,磁阻传感器就成为电气元件、磁性元件和机械元件所组成的复杂系统的一部分。因为所有元件都会影响系统的反应,所以在规划系统及其操作时要非常重视对整个系统的仿真。下面重点讨论这种系统的建模和仿真。

电子技术的应用日益广泛,对汽车的发展具有决定性的促进作用。未来的进一步发展也会在很大程度上由不断创新的电子元件驱动。传感器技术可检测车辆及其周围环境条件,因此具有特殊意义。有多种传感器系统可用于此类目的,例如加速度传感器、温度传感器或转矩传感器等。磁场测量传感器在汽车内尤其常见,主要用于机械变量的非接触式检测。通常这种传感器通过霍尔元件,或者基于各向异性磁阻 (AMR) 效应实现。与使用霍尔效应的解决方案相比,AMR 传感器有许多优点,例如抖动更少、灵敏度更高。但在提高准确性或降低整体系统成本方面,二者不分伯仲。除了在电子罗盘中利用磁阻传感器测量地球磁场之外,尤其是借助磁场指示机械系统的运动和位置时,可使用磁阻传感器确定角度和速度。防滑系统、引擎和传送控制都需要这种数据。产生磁场的永磁体的机械设计和选择会在很大程度上影响测量数据的获取。因此,在部署整个系统之前使用仿真技术进行深入分析非常重要,以确保达到目标功能并降低成本。因此,在前期开发过程中建立系统模型,之后用于支持后续产品的开发,对于解决设计过程中产生的这类问题也能发挥重要作用。下文将探讨新型速度传感器的整体系统建模和仿真。

 


图 1 AMR 传感器系统包含两个封装

 


图 2 各向异性磁阻效应

 

信号检测

现代传感器系统主要由两个元件组成 —基本传感器和信号处理专用集成电路 (ASIC)(图 1)。现已证明,后来由 Lord Klevin 于 1857 年发现的各向异性磁阻效应特别适用于检测磁场。首先考虑通常具有多种磁畴结构的铁磁性材料。这些称之为韦斯磁畴的结构,其内部磁化的方向彼此不同。如果将这种材料平铺为一薄层,那么磁化矢量处于材料层平面方向。另外,可较精确地假设只存在一个磁畴。当这种元件暴露于外部磁场中时,后者会改变内部磁化矢量的方向。如果同时一股电流通过该元件,就会产生电阻(图 2),这取决于电流和磁化之间的角度。当电流和磁化方向彼此成直角时,电阻最小,当二者平行时,电阻最大。电阻变化的大小取决于材料。铁磁性材料的性质也决定对温度的依赖性。电阻最大变化为 2.2% 并且对温度变化反应良好的最佳合金是 81% 的镍和 19% 的铁组成的合金。恩智浦所有传感器系统中的基本传感器都采用这种强磁铁镍合金。在惠斯登电桥电路中单独配置几个 AMR 电阻,以增强输出信号并改善温度反应特性。此电路也可在制造过程中进行微调。图 3 显示如何在裸片上配置 AMR 元件。

确定速度的装置多半由两个组件组成:编码器轮和传感器系统。编码器轮可以是主动式或被动式。主动轮已磁化,因此 MR 传感器可检测北极和南极之间的变化。如果是被动轮,则由一种齿状结构代替磁化。如图 1 所示,传感器头上也必须有一块用于产生磁场的永磁体。接下来,我们只讨论因公差极小而著称的被动编码器轮。当传感器对称地面对一个齿或者被动轮两齿之间的空隙时,这不会使 AMR 元件的磁化矢量产生任何偏斜。忽略外部噪声场并考虑桥电路时,输出信号获得零值。然而,如果传感器头处于齿边缘前面,则磁输入信号达到极值。齿/空隙或空隙/齿切换类型的函数结果与磁输入信号正弦曲线的最小值或最大值非常接近。

信号处理

为了确定速度,将磁输入信号编码处理为电脉冲序列,而且通常通过 7/14 mA 协议传送。在最简单的情况下,可使用比较器产生脉冲序列。通常会向比较器电路添加磁滞以消除低噪声的影响。然而,这种施密特触发器在噪声水平较高的条件下不能确保其功能性。例如,传感器头和编码器轮之间空隙出现显著波动会导致磁输入信号振幅发生波动。如果振幅变得很小,甚至不再超过或低于磁滞临界值,则不管编码器轮的位置如何,输出信号都保持其有效工作时的最后状态。在检测 ABS 系统中的转速时,传感器和编码器轮之间的距离可能会出现这种变化。当存在负载变化(例如突然转向动作),横向作用于轮上的离心力会在轮轴上产生弯曲力矩。这将改变安装在与传感器相关的轴上的编码器轮的位置,这些传感器是与轮悬架相结合的。

磁位移也会影响系统的正常运转。例如,噪声场可使实际测量信号加强或减弱,致使施密特触发器的临界值被高估或低估。然而,位移不仅是由外部场引起的。被动轮极高的速度可使轮中产生涡流,而这又会产生磁噪声场。所产生的位移会影响操作的可靠性。

为消除此噪声对输出信号的影响,另一封装中装入了信号处理专用集成电路(ASIC)。后者也包含一个线路驱动器,以便为信号处理和高电压接口提供电源电压(图 1)。图 4 所示为信号处理架构。用于故障排除的中心元件为包括调式放大器、偏移抵消电路和智能比较器。根据传感器和编码器轮之间的距离,可调式放大器可以与信号级匹配。对于偏移抵消电路,有一种控制系统(与高通滤波器不同)可消除偏移,同时将系统频率保持为 0?Hz。否则,就不可能检测到停止不动的编码器轮。智能比较器的临界值是可变的,并且可设置,使磁滞处于信号振幅的 20% 和 45% 之间。这可确保充分抑制噪声,而且振幅突降达 50% 也不会影响系统的正常运转。模拟前端的个别组件控制则通过数字接口实现。所述系统均利用仿真技术开发和验证。下文将概略介绍系统开发,同时阐述如何使用模型来改进设计。

 


图 3 裸片上的 AMR 元件配置

 


图 4 现代速度传感器的信号处理原理

 


图 5 网格 — 磁场有限元模拟的起点

系统仿真

要开发传感器系统,首先必须对预期的磁输入信号有一个总体了解。首先要了解编码器轮和传感器头上永磁体的标准规格,以及预期尺寸和公差。通过 ANSYS 方法进行 FEM 仿真可确定磁场。这里就有对编码器轮、传感器元件和磁体进行建模的问题(图 5)。然后便可根据传感器元件和编码器轮之间的距离,确定与之呈函数关系的磁场强度。图 6 是传感器桥上的磁输入信号与距离呈函数关系的三维图示。很容易看出输入信号呈正弦曲线,信号振幅随距离增加而明显减小。除了距离之外,位置偏离也会导致振幅减小。例如,如果传感器头不在编码器轮前面的中心位置,那么信号振幅也会减小。根据 FEM仿真方法,这样也可将机械规范转化成预期磁变量。与气隙变化不同,倾斜会导致偏移,这同样会影响系统的正常运转。FEM 仿真也可以预估其造成的影响(图 7),而且结果可直接转化为可容许的位置公差。

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