- 探究汽車應用中的磁阻傳感器
- 通過 ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場
- 采用基于 AMR 效應的現代智能傳感器
磁阻效應支持汽車內的多種傳感器應用。磁阻傳感器主要用來測量機械系統的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機械元件所組成的復雜系統的一部分。因為所有元件都會影響系統的反應，所以在規劃系統及其操作時要非常重視對整個系統的仿真。下面重點討論這種系統的建模和仿真。
電子技術的應用日益廣泛，對汽車的發展具有決定性的促進作用。未來的進一步發展也會在很大程度上由不斷創新的電子元件驅動。傳感器技術可檢測車輛及其周圍環境條件，因此具有特殊意義。有多種傳感器系統可用于此類目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉矩傳感器等。磁場測量傳感器在汽車內尤其常見，主要用于機械變量的非接觸式檢測。通常這種傳感器通過霍爾元件，或者基于各向異性磁阻 (AMR) 效應實現。與使用霍爾效應的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優點，例如抖動更少、靈敏度更高。但在提高準確性或降低整體系統成本方面，二者不分伯仲。除了在電子羅盤中利用磁阻傳感器測量地球磁場之外，尤其是借助磁場指示機械系統的運動和位置時，可使用磁阻傳感器確定角度和速度。防滑系統、引擎和傳送控制都需要這種數據。產生磁場的永磁體的機械設計和選擇會在很大程度上影響測量數據的獲取。因此，在部署整個系統之前使用仿真技術進行深入分析非常重要，以確保達到目標功能并降低成本。因此，在前期開發過程中建立系統模型，之后用于支持后續產品的開發，對于解決設計過程中產生的這類問題也能發揮重要作用。下文將探討新型速度傳感器的整體系統建模和仿真。
圖 1 AMR 傳感器系統包含兩個封裝
圖 2 各向異性磁阻效應
信號檢測
現代傳感器系統主要由兩個元件組成 —基本傳感器和信號處理專用集成電路 (ASIC)(圖 1)。現已證明，后來由 Lord Klevin 于 1857 年發現的各向異性磁阻效應特別適用于檢測磁場。首先考慮通常具有多種磁疇結構的鐵磁性材料。這些稱之為韋斯磁疇的結構，其內部磁化的方向彼此不同。如果將這種材料平鋪為一薄層，那么磁化矢量處于材料層平面方向。另外，可較精確地假設只存在一個磁疇。當這種元件暴露于外部磁場中時，后者會改變內部磁化矢量的方向。如果同時一股電流通過該元件，就會產生電阻(圖 2)，這取決于電流和磁化之間的角度。當電流和磁化方向彼此成直角時，電阻最小，當二者平行時，電阻最大。電阻變化的大小取決于材料。鐵磁性材料的性質也決定對溫度的依賴性。電阻最大變化為 2.2% 并且對溫度變化反應良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器系統中的基本傳感器都采用這種強磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨配置幾個 AMR 電阻，以增強輸出信號并改善溫度反應特性。此電路也可在制造過程中進行微調。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。
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確定速度的裝置多半由兩個組件組成：編碼器輪和傳感器系統。編碼器輪可以是主動式或被動式。主動輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測北極和南極之間的變化。如果是被動輪，則由一種齒狀結構代替磁化。如圖 1 所示，傳感器頭上也必須有一塊用于產生磁場的永磁體。接下來，我們只討論因公差極小而著稱的被動編碼器輪。當傳感器對稱地面對一個齒或者被動輪兩齒之間的空隙時，這不會使 AMR 元件的磁化矢量產生任何偏斜。忽略外部噪聲場并考慮橋電路時，輸出信號獲得零值。然而，如果傳感器頭處于齒邊緣前面，則磁輸入信號達到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類型的函數結果與磁輸入信號正弦曲線的最小值或最大值非常接近。
信號處理
為了確定速度，將磁輸入信號編碼處理為電脈沖序列，而且通常通過 7/14 mA 協議傳送。在最簡單的情況下，可使用比較器產生脈沖序列。通常會向比較器電路添加磁滯以消除低噪聲的影響。然而，這種施密特觸發器在噪聲水平較高的條件下不能確保其功能性。例如，傳感器頭和編碼器輪之間空隙出現顯著波動會導致磁輸入信號振幅發生波動。如果振幅變得很小，甚至不再超過或低于磁滯臨界值，則不管編碼器輪的位置如何，輸出信號都保持其有效工作時的最后狀態。在檢測 ABS 系統中的轉速時，傳感器和編碼器輪之間的距離可能會出現這種變化。當存在負載變化(例如突然轉向動作)，橫向作用于輪上的離心力會在輪軸上產生彎曲力矩。這將改變安裝在與傳感器相關的軸上的編碼器輪的位置，這些傳感器是與輪懸架相結合的。
磁位移也會影響系統的正常運轉。例如，噪聲場可使實際測量信號加強或減弱，致使施密特觸發器的臨界值被高估或低估。然而，位移不僅是由外部場引起的。被動輪極高的速度可使輪中產生渦流，而這又會產生磁噪聲場。所產生的位移會影響操作的可靠性。
為消除此噪聲對輸出信號的影響，另一封裝中裝入了信號處理專用集成電路(ASIC)。后者也包含一個線路驅動器，以便為信號處理和高電壓接口提供電源電壓(圖 1)。圖 4 所示為信號處理架構。用于故障排除的中心元件為包括調式放大器、偏移抵消電路和智能比較器。根據傳感器和編碼器輪之間的距離，可調式放大器可以與信號級匹配。對于偏移抵消電路，有一種控制系統(與高通濾波器不同)可消除偏移，同時將系統頻率保持為 0?Hz。否則，就不可能檢測到停止不動的編碼器輪。智能比較器的臨界值是可變的，并且可設置，使磁滯處于信號振幅的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑制噪聲，而且振幅突降達 50% 也不會影響系統的正常運轉。模擬前端的個別組件控制則通過數字接口實現。所述系統均利用仿真技術開發和驗證。下文將概略介紹系統開發，同時闡述如何使用模型來改進設計。
圖 3 裸片上的 AMR 元件配置
圖 4 現代速度傳感器的信號處理原理
圖 5 網格 — 磁場有限元模擬的起點
系統仿真
要開發傳感器系統，首先必須對預期的磁輸入信號有一個總體了解。首先要了解編碼器輪和傳感器頭上永磁體的標準規格，以及預期尺寸和公差。通過 ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場。這里就有對編碼器輪、傳感器元件和磁體進行建模的問題(圖 5)。然后便可根據傳感器元件和編碼器輪之間的距離，確定與之呈函數關系的磁場強度。圖 6 是傳感器橋上的磁輸入信號與距離呈函數關系的三維圖示。很容易看出輸入信號呈正弦曲線，信號振幅隨距離增加而明顯減小。除了距離之外，位置偏離也會導致振幅減小。例如，如果傳感器頭不在編碼器輪前面的中心位置，那么信號振幅也會減小。根據 FEM仿真方法，這樣也可將機械規范轉化成預期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會導致偏移，這同樣會影響系統的正常運轉。FEM 仿真也可以預估其造成的影響(圖 7)，而且結果可直接轉化為可容許的位置公差。
確定磁場之后是傳感器系統仿真。AMR 元件的電阻變化是各向異性磁阻效應的直接結果。這樣，磁場仿真的結果會導致代表信號處理中輸入信號的電阻發生變化。對模擬前端進行建模可采用 Simulink。這種行為模型是概念設計的產物，標志著產品開發的起點。每個 Simulink 塊對應一個模擬信號處理組件，例如放大器或過濾器。但是，尚未考慮模擬組件的控制部分，這由數字系統實現。HDL 設計則仿真通過數字方法實現的功能，而且在完成產品開發之后就會最終成形。因此，整體系統仿真是 Simulink 對模擬組件的行為模型以及 ModelSim 對 HDL 設計的共同仿真(圖8)。可通過仿真從概念階段順利過渡到 HDL 設計及后續階段。在共同仿真中，可用 ModelSim 中部署的 Verilog 代碼逐漸代替 Simulink 參考模型，從而可逐項驗證 HDL 設計。可持續進行此過程，直到在 Verilog 中實現整個數字部件，而模擬系統部件仍保持為 Simulink 模型。此工具組合也已證明對 IC 評估同樣有用。自始至終使用這種工具可以更容易理解 IC 行為，并可創建用來分析和解釋任何錯誤的框架。這些工具的主要好處在于，能夠更快速、更準確地答復客戶的查詢，以及更好地了解與環境條件相關的傳感器功能。
圖 6 與傳感器頭和編碼器輪間距離呈函數關系的磁輸入信號模擬
圖 7 為確定可容許的位置公差而進行的磁場計算
圖 8 模擬前端和數字塊的共同仿真
結論
通過此項建模，可以分析與輸入信號呈函數關系的系統行為。圖 9 中的第一張圖表顯示通過改變傳感器和編碼器輪之間的距離而產生的磁輸入信號。此信號是有限元件仿真結果，之后 AMR 效應可將此信號轉化成傳感器橋的電輸出信號。中間的圖表是模擬信號處理的結果。下面一張圖表顯示輸出信號。此器件使用 A 7/14/28 mA 協議。這種協議可用來傳送額外信息，例如感測旋轉或氣隙長度。除了這些結果之外，也可以檢查數字控制的運行情況。圖 10 顯示的是 ModelSim 中的信號圖象實例。
通過MATLAB 進行仿真控制并結合其他仿真器可創造更多選擇。首先，例如可使模擬自動化。然后可以使用大量算法在 MATLAB 中進行信號仿真。例如，對所需系統和信號參數進行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨后進行自動化分析。通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴展所仿真的系統組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關編碼器，從而將系統視圖擴展到傳感器周圍直接相關的區域。圖 11 顯示的是用于此目的的整個工具鏈。
圖 9 模擬結果：電輸出信號比對磁輸入信號
圖 10 數字系統元件的仿真
圖 11 完整的仿真鏈
總結
許多汽車應用中都采用基于 AMR 效應的現代智能傳感器。對傳感器系統的要求自然會因應用而異。在部署整個系統之前先進行系統仿真可確保各項功能符合規范。假設發現磁變量、機械變量和電變量之間存在復雜的相互影響，只用一件簡單的仿真工具不能解決問題。此時需要結合使用不同工具，每件工具都是針對特定任務的最佳解決方案。因此使用磁場仿真器來確定磁輸入信號，同時Simulink對模擬輸入進行仿真。HDL設計之后對模擬部件進行數字控制仿真。最終整個系統實現全面仿真。建模已成為預開發的一部分，并隨著產品開發的進程不斷優化改進。最后就會得到經過驗證確認符合產品規范的設計，以及可用來解決后續問題的模型，作為市場支持的一部分。
