巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設(shè)計(jì)

引言

多圈傳感器本質(zhì)上是將磁寫入和電子讀取存儲(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)致磁寫入錯(cuò)誤，從而引起總?cè)?shù)錯(cuò)誤。

圖1 工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數(shù)比較

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%。

圖2 參考設(shè)計(jì)磁體

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。

圖3 氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場(chǎng)分布

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，不考慮周圍環(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)用打開大門。

如需了解有關(guān)ADMT4000和磁性參考設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)，或聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐腁DI銷售團(tuán)隊(duì)，他們將樂(lè)于討論您的要求和應(yīng)用。

關(guān)于作者

Stephen Bradshaw擁有利茲大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，以及格拉斯哥大學(xué)光電學(xué)碩士和博士學(xué)位。在職業(yè)生涯的早期，Stephen曾負(fù)責(zé)意法半導(dǎo)體第一代手機(jī)攝像頭中所用鏡頭的設(shè)計(jì)和表征，然后在Maroni鉆研Gbps光收發(fā)器并在Nanotech Semiconductor參與了大部分光收發(fā)器的研發(fā)工作。Stephen在ADI公司工作已有10余年，在此期間擔(dān)任應(yīng)用工程師，為鋰鐵和鉛酸電池監(jiān)控產(chǎn)品線及磁性位置傳感器業(yè)務(wù)提供支持。

Christian Nau是ADI公司的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理，擁有汽車電子和傳感器方面的背景。他于2015年加入ADI公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師和主題專家，為歐洲、中東和非洲地區(qū)的磁性傳感器業(yè)務(wù)提供支持。自2019年以來(lái)，Christian一直在ADI公司的磁性傳感器技術(shù)事業(yè)部工作，為現(xiàn)有產(chǎn)品的客戶合作項(xiàng)目提供支持，并為該事業(yè)部未來(lái)在多個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展方向出謀劃策。

Enda Nicholl是ADI公司駐愛(ài)爾蘭利默里克的磁性傳感器戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理。Enda是一名機(jī)械工程師，于2006年加入ADI公司。他在傳感器和傳感器接口產(chǎn)品領(lǐng)域擁有近30年的經(jīng)驗(yàn)，涉及廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)，包括汽車和工業(yè)。在整個(gè)職業(yè)生涯中，Enda一直從事產(chǎn)品應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和銷售，以及戰(zhàn)略業(yè)務(wù)開發(fā)和營(yíng)銷。