最完整的磁阻角度和線性位置測量系統解決方案

2021-01-18 電子產品世界

　　電路功能與優勢

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/278835.htm

　　圖1所示緊湊型雙晶片電路提供非接觸式各向異性磁阻(AMR)測量解決方案，可用於角度或線性位置測量。該雙晶片系統在180°範圍內具有優於0.2°的角精度，在0.5英寸範圍內具有2 mil(0.002英寸)線性精度，具體取決於所用磁體的尺寸。

　　該電路適用於高速、高精度、非接觸式角度和長度測量關鍵型應用，比如工具機速度控制、起重機角度控制、無刷直流電機和其他工業或汽車應用。

　　

 

　　圖1.磁阻角度和線性檢測系統(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，集成信號調理放大器和ADC驅動器，以及用於溫度補償的溫度傳感器。

　　ADA4571產生兩路模擬輸出，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可提供有關旋轉磁場角度的乾淨且經過放大的餘弦和正弦輸出信號。T輸出電壓範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平面的均質場內，輸出信號與z方向(氣隙)的物理位置無關。

　　正弦和餘弦輸出端的輸出電壓擺幅範圍為7% VDD至93% VDD.有兩個診斷頻段(VDD的0%至7%和VDD的93%至100%)，因而可向所有內部連接提供焊線斷開檢測。

　　ADA4571採用8引腳SOIC封裝。

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

　　AD7866是一款雙通道、同步採樣、12位、1 MSPS SAR ADC.RANGE引腳的極性確定模擬輸入範圍和輸出編碼。如果片選信號變為低電平時該引腳連接邏輯高電平，則下次轉換的模擬輸入範圍為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使用內部2.5 V基準電壓源。VREF引腳提供該電壓，但將其用於系統的其他位置前必須先使用緩衝器。DCAPA引腳和DCAPB引腳採用470 nF電容去耦，確保ADC正常工作。

　　AD7866同步採樣傳感器的兩個通道。數字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個數據流包括1個前導零，隨後是3個狀態位，再加上12位轉換數據。然而，保持CS引腳為低電平並持續額外16個時鐘周期，則兩個數字字均可從一個通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數據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用器。A0輸入引腳上的邏輯0允許A1和A2輸入端轉換，而A0輸入引腳上的邏輯1允許B1和B2輸入端轉換。ADA4571的溫度傳感器輸出連接AD7866的B1輸入，並允許對系統進行軟體溫度校準。

　　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傳感器基於AMR技術。

　　

 

　　圖2.各向異性磁阻示例

　　AMR效應示例如圖2所示。電流(I)流過導體，受外部磁場(HY)影響。導體電阻的變化與磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度成函數關係。磁化矢量是內部磁場(HX)與施加的外部磁場(HY)的淨求和結果。

　　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效應要求導體自身必須對機械應力材料不敏感，但對磁約束敏感。由於這些原因，透磁合金(80%鎳，20%鐵)是AMR傳感器製造中最常用的合金。

　　透磁合金屬性

　　透磁合金條有兩個屬性，創建角度測量系統時會具有設計挑戰性。

　　首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(見圖3)。僅當磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度變大時，響應才是線性的。不幸的是，線性響應不久後透磁合金就會飽和。

　　

 

　　圖3.透磁合金電阻與磁場的關係

　　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，並且電流矢量(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

　　圖5顯示向透磁合金條中加入雙色條磁極後的結果。電流矢量偏移45，但磁化矢量保持不變。注意，線性特性現在存在於圖形的中央部分。

　　

 

　　圖5.雙色條磁極透磁合金電阻與磁場的關係

　　磁場強度

　　磁場強度至少為25 kA/m，才能確保滿足ADA4571數據手冊中的規格。該激勵磁場必須與ADA4571封裝內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.用於轉軸角度測量的磁體方向與氣隙

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