汽車(chē)應用中磁阻傳感器系統的建模和仿真

磁阻效應支持汽車(chē)內的多種傳感器應用。磁阻傳感器主要用來(lái)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(huì )影響系統的反應，所以在規劃系統及其操作時(shí)要非常重視對整個(gè)系統的仿真。下面重點(diǎn)討論這種系統的建模和仿真。

　　電子技術(shù)的應用日益廣泛，對汽車(chē)的發(fā)展具有決定性的促進(jìn)作用。未來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展也會(huì )在很大程度上由不斷創(chuàng )新的電子元件驅動(dòng)。傳感器技術(shù)可檢測車(chē)輛及其周?chē)h(huán)境條件，因此具有特殊意義。有多種傳感器系統可用于此類(lèi)目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉矩傳感器等。磁場(chǎng)測量傳感器在汽車(chē)內尤其常見(jiàn)，主要用于機械變量的非接觸式檢測。通常這種傳感器通過(guò)霍爾元件，或者基于各向異性磁阻 (AMR) 效應實(shí)現。與使用霍爾效應的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，例如抖動(dòng)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(pán)中利用磁阻傳感器測量地球磁場(chǎng)之外，尤其是借助磁場(chǎng)指示機械系統的運動(dòng)和位置時(shí)，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(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體的機械設計和選擇會(huì )在很大程度上影響測量數據的獲取。因此，在部署整個(gè)系統之前使用仿真技術(shù)進(jìn)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(kāi)發(fā)過(guò)程中建立系統模型，之后用于支持后續產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，對于解決設計過(guò)程中產(chǎn)生的這類(lèi)問(wèn)題也能發(fā)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(gè)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(gè)元件組成 —基本傳感器和信號處理專(zhuān)用集成電路 (ASIC)(圖 1)?，F已證明，后來(lái)由 Lord Klevin 于 1857 年發(fā)現的各向異性磁阻效應特別適用于檢測磁場(chǎng)。首先考慮通常具有多種磁疇結構的鐵磁性材料。這些稱(chēng)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(gè)磁疇。當這種元件暴露于外部磁場(chǎng)中時(shí)，后者會(huì )改變內部磁化矢量的方向。如果同時(shí)一股電流通過(guò)該元件，就會(huì )產(chǎn)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(shí)，電阻最小，當二者平行時(shí)，電阻最大。電阻變化的大小取決于材料。鐵磁性材料的性質(zhì)也決定對溫度的依賴(lài)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(gè) 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(guò)程中進(jìn)行微調。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。

　　確定速度的裝置多半由兩個(gè)組件組成：編碼器輪和傳感器系統。編碼器輪可以是主動(dòng)式或被動(dòng)式。主動(dòng)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(dòng)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(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體。接下來(lái)，我們只討論因公差極小而著(zhù)稱(chēng)的被動(dòng)編碼器輪。當傳感器對稱(chēng)地面對一個(gè)齒或者被動(dòng)輪兩齒之間的空隙時(shí)，這不會(huì )使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。忽略外部噪聲場(chǎng)并考慮橋電路時(shí)，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(lèi)型的函數結果與磁輸入信號正弦曲線(xiàn)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(guò) 7/14 mA 協(xié)議傳送。在最簡(jiǎn)單的情況下，可使用比較器產(chǎn)生脈沖序列。通常會(huì )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(fā)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(zhù)波動(dòng)會(huì )導致磁輸入信號振幅發(fā)生波動(dòng)。如果振幅變得很小，甚至不再超過(guò)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(shí)的最后狀態(tài)。在檢測 ABS 系統中的轉速時(shí)，傳感器和編碼器輪之間的距離可能會(huì )出現這種變化。當存在負載變化(例如突然轉向動(dòng)作)，橫向作用于輪上的離心力會(huì )在輪軸上產(chǎn)生彎曲力矩。這將改變安裝在與傳感器相關(guān)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(huì )影響系統的正常運轉。例如，噪聲場(chǎng)可使實(shí)際測量信號加強或減弱，致使施密特觸發(fā)器的臨界值被高估或低估。然而，位移不僅是由外部場(chǎng)引起的。被動(dòng)輪極高的速度可使輪中產(chǎn)生渦流，而這又會(huì )產(chǎn)生磁噪聲場(chǎng)。所產(chǎn)生的位移會(huì )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(zhuān)用集成電路(ASIC)。后者也包含一個(gè)線(xiàn)路驅動(dòng)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(shí)將系統頻率保持為 0?Hz。否則，就不可能檢測到停止不動(dòng)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(huì )影響系統的正常運轉。模擬前端的個(gè)別組件控制則通過(guò)數字接口實(shí)現。所述系統均利用仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗證。下文將概略介紹系統開(kāi)發(fā)，同時(shí)闡述如何使用模型來(lái)改進(jìn)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