磁阻角度與線(xiàn)性位置測量系統設計方案

磁阻角度與線(xiàn)性位置測量系統經(jīng)常會(huì )被應用到電機的控制上，應用十分廣泛。下文就給出了該種測量系統的設計方案。包括硬件選型，軟件仿真與測試結果。

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示緊湊型雙芯片電路提供非接觸式各向異性磁阻(AMR)測量解決方案，可用于角度或線(xiàn)性位置測量。該雙芯片系統在180°范圍內具有優(yōu)于0.2°的角精度，在0.5英寸范圍內具有2 mil(0.002英寸)線(xiàn)性精度，具體取決于所用磁體的尺寸。

該電路適用于高速、高精度、非接觸式角度和長(cháng)度測量關(guān)鍵型應用，比如機床速度控制、起重機角度控制、無(wú)刷直流電機和其他工業(yè)或汽車(chē)應用。

圖1.磁阻角度和線(xiàn)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(dòng)器，以及用于溫度補償的溫度傳感器。

ADA4571產(chǎn)生兩路模擬輸出，指示周?chē)艌?chǎng)的角位置。

ADA4571集成一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益(標稱(chēng)值G = 40)儀表放大器。ADA4571可提供有關(guān)旋轉磁場(chǎng)角度的干凈且經(jīng)過(guò)放大的余弦和正弦輸出信號。T輸出電壓范圍與電源電壓成比例。

傳感器含有兩個(gè)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(chǎng)提供兩路正弦輸出信號，且傳感器與磁場(chǎng)方向的角度(α)頻率翻倍。在x-y平面的均質(zhì)場(chǎng)內，輸出信號與z方向(氣隙)的物理位置無(wú)關(guān)。

正弦和余弦輸出端的輸出電壓擺幅范圍為7% VDD至93% VDD.有兩個(gè)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(xiàn)斷開(kāi)檢測。

ADA4571采用8引腳SOIC封裝。

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

AD7866是一款雙通道、同步采樣、12位、1 MSPS SAR ADC.RANGE引腳的極性確定模擬輸入范圍和輸出編碼。如果片選信號變?yōu)榈碗娖綍r(shí)該引腳連接邏輯高電平，則下次轉換的模擬輸入范圍為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，但將其用于系統的其他位置前必須先使用緩沖器。DCAPA引腳和DCAPB引腳采用470 nF電容去耦，確保ADC正常工作。

AD7866同步采樣傳感器的兩個(gè)通道。數字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個(gè)數據流包括1個(gè)前導零，隨后是3個(gè)狀態(tài)位，再加上12位轉換數據。然而，保持CS引腳為低電平并持續額外16個(gè)時(shí)鐘周期，則兩個(gè)數字字均可從一個(gè)通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數據線(xiàn)路上訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)通道。

AD7866的兩個(gè)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，并允許對系統進(jìn)行軟件溫度校準。

磁阻(MR)理論

磁阻是存在外部磁場(chǎng)時(shí)，材料改變其電阻值的能力。最常用的MR傳感器基于A(yíng)MR技術(shù)。

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(guò)導體，受外部磁場(chǎng)(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(guān)系。磁化矢量是內部磁場(chǎng)(HX)與施加的外部磁場(chǎng)(HY)的凈求和結果。

當磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時(shí)，具有最大電阻。當磁化矢量(M)與電流矢量(I)垂直時(shí)，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。由于這些原因，透磁合金(80%鎳，20%鐵)是AMR傳感器制造中最常用的合金。

透磁合金屬性

透磁合金條有兩個(gè)屬性，創(chuàng )建角度測量系統時(shí)會(huì )具有設計挑戰性。

首先，透磁合金具有較窄的線(xiàn)性工作區(見(jiàn)圖3)。僅當磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度變大時(shí)，響應才是線(xiàn)性的。不幸的是，線(xiàn)性響應不久后透磁合金就會(huì )飽和。

圖3.透磁合金電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系

其次，透磁合金對極性不敏感。無(wú)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(xiàn)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(chēng)為雙色條磁極，如圖4所示)。雙色條磁極間流動(dòng)的任何電流都將走最短的路徑——垂直路徑，并且電流矢量(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后的結果。電流矢量偏移45，但磁化矢量保持不變。注意，線(xiàn)性特性現在存在于圖形的中央部分。

圖5.雙色條磁極透磁合金電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系

磁場(chǎng)強度

磁場(chǎng)強度至少為25 kA/m，才能確保滿(mǎn)足ADA4571數據手冊中的規格。該激勵磁場(chǎng)必須與ADA4571封裝內傳感元件的中央部分相交。

選擇磁體時(shí)，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(chǎng)強度要求。

圖6.用于轉軸角度測量的磁體方向與氣隙

傳感器基礎知識

標準AMR傳感器由兩個(gè)惠斯登電橋組成，互相之間的相對角度為45°，如圖7所示。

圖7. ADA4571雙惠斯登電橋配置

旋轉磁場(chǎng)產(chǎn)生正弦和余弦輸出信號，如圖8所示。兩個(gè)信號在180°范圍內均為周期信號，因此沒(méi)有額外元件或參考點(diǎn)就無(wú)法進(jìn)行全方位360°測量檢測。

圖8.磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

ADA4571傳感器標稱(chēng)靈敏度為每通道52 mV/°，這意味著(zhù)磁化矢量和傳感器方向之間的每一度變化都會(huì )產(chǎn)生52 mV的輸出電壓改變。角度的靈敏度并非常量。靈敏度下降的部分是線(xiàn)路斜率接近零時(shí)的輸出部分。

如圖8所示，余弦輸出(綠線(xiàn))在磁化矢量角度接近0°、90°、180°或270°時(shí)損失靈敏度。類(lèi)似地，正弦輸出(紅線(xiàn))在磁化矢量角度接近45°、135°、225°和315°時(shí)損失靈敏度。幸運的是，當一個(gè)通道的靈敏度降低時(shí)，另一個(gè)通道處于高靈敏度區域。

系統帶寬、磁場(chǎng)旋轉

磁場(chǎng)角度矢量是理解電路帶寬的重要內容。ADC每微秒轉換一個(gè)樣本。為了獲得1°分辨率，磁場(chǎng)1 ms只能移動(dòng)1°(2.778 kHz)，否則ADC無(wú)法以足夠高的速度進(jìn)行采樣，以便跟上磁場(chǎng)變化的速度。對于1 MSPS ADC，這表示磁場(chǎng)的最大可用角速度為2.778 kHz.

旋轉測量測試結果

將直徑方向的N42磁體(直徑= 0.5英寸，厚度= 0.125英寸)連接至金屬桿的末端。精密直流電機可對金屬桿進(jìn)行精細角度控制。傳感器精確安裝在磁體正面。氣隙設為2 mm.只要磁鐵激勵使傳感器完全飽和，則結果便與氣隙基本無(wú)關(guān)。

電機轉動(dòng)，創(chuàng )造出與傳感器相交的旋轉磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生重復性正弦和余弦輸出電壓，適合進(jìn)行角度計算和數據采集。

圖9顯示了該設置的功能框圖。圖10是該設置的照片，可用來(lái)采集軸尾配置的數據。該設置由無(wú)刷直流電機、物理安裝、磁體和集成相應ADA4571傳感器的PCB組成。

圖9.數據采集測試設置——軸尾配置

圖10.無(wú)刷直流電機基準測試設置照片

圖11通過(guò)磁體的多次轉動(dòng)，將電機的機械角與傳感器的計算磁場(chǎng)角相比較。該計算利用兩個(gè)輸出之比的反正切函數。未進(jìn)行校準時(shí)，誤差接近±1°。

圖11.失調校正前的角誤差與機械角之間的關(guān)系

圖12顯示僅有一次失調校正的誤差。無(wú)需針對正弦和余弦的幅度失配、非線(xiàn)性度或正交性校正進(jìn)行額外調節。使用每個(gè)通道的峰峰值或平均值可確定失調值，因為它貫穿整個(gè)機械旋轉。從對應通道中減去失調，以獲得線(xiàn)性傳感器響應。最大誤差接近±0.2°，而該范圍內的絕大部分誤差小于±0.1°。

圖12.僅針對失調進(jìn)行校正后的角誤差與機械角的關(guān)系

PCB布局考慮

CN-0368系統的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。有關(guān)布局和接地的詳細論述，請參見(jiàn)MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見(jiàn)MT-101指南。

所有IC的電源應當用1μF和0.1μF電容去耦，以適當抑制噪聲并減小紋波。這些電容應盡可能靠近器件。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

電源走線(xiàn)應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線(xiàn)路上的毛刺效應。通過(guò)數字地將時(shí)鐘及其它快速開(kāi)關(guān)數字信號屏蔽起來(lái)，使之不影響電路板的其它器件。圖13為PCB的照片。

圖13. EVAL-CN0368-SDPZ板的照片

常見(jiàn)變化

如需1 MSPS以上采樣速率，應考慮使用下列同步采樣ADC;

如需12位或14位以上的分辨率，可使用AD7655(1 MSPS時(shí)為16位)。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)板和EVAL-CN0368-SDPZ電路板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。

EVAL-SDP-CB1Z板與CN0368評估軟件一同使用，捕獲EVAL-CN0368-SDPZ電路板的數據。

設備要求

需要以下設備：

帶USB端口和Windows XP(32位)、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC

EVAL-CN0368-SDPZ電路板

EVAL-SDP-CB1Z SDP板

6 V電源或壁式電源適配器

CN0368評估軟件

傳感器封裝處磁場(chǎng)強度不低于25 kA/m的釹磁體

開(kāi)始使用

將CN0368評估軟件光盤(pán)放入PC，加載評估軟件。打開(kāi)我的電腦，找到包含評估軟件光盤(pán)的驅動(dòng)器，打開(kāi)Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

圖14所示為測試設置的功能框圖。

圖14.測試設置框圖

設置

將EVAL-CN0368-SDPZ上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z上的連接器。使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。

在斷電情況下，將6 V直流管式插孔連接到J4連接器。將EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。此時(shí)請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

將釹磁體直接放置在IC之上，或置于專(zhuān)為旋轉磁體而設計的夾具中，使IC和磁體的距離最短。

使磁場(chǎng)的其他來(lái)源遠離IC很重要，因為任何雜散磁場(chǎng)都會(huì )使傳感器輸出電壓產(chǎn)生誤差。

測試

為直流管式插孔、J4連接器上電。啟動(dòng)CN0368評估軟件，并通過(guò)USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z來(lái)發(fā)送、接收和捕捉來(lái)自EVAL-CN0368-SDPZ的串行數據。