中心議題：

• 探究汽車應用中的磁阻傳感器

解決方案：

• 通過 ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場
• 采用基於 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係統的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)和(he)機(ji)械(xie)元(yuan)件(jian)所(suo)組(zu)成(cheng)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。因(yin)為(wei)所(suo)有(you)元(yuan)件(jian)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)反(fan)應(ying)
，所(suo)以(yi)在(zai)規(gui)劃(hua)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)操(cao)作(zuo)時(shi)要(yao)非(fei)常(chang)重(zhong)視(shi)對(dui)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)仿(fang)真(zhen)。下(xia)麵(mian)重(zhong)點(dian)討(tao)論(lun)這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)的(de)建(jian)模(mo)和(he)仿(fang)真(zhen)。

電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)日(ri)益(yi)廣(guang)泛(fan)
，對(dui)汽(qi)車(che)的(de)發(fa)展(zhan)具(ju)有(you)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)促(cu)進(jin)作(zuo)用(yong)。未(wei)來(lai)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)發(fa)展(zhan)也(ye)會(hui)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)由(you)不(bu)斷(duan)創(chuang)新(xin)的(de)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)驅(qu)動(dong)。傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)可(ke)檢(jian)測(ce)車(che)輛(liang)及(ji)其(qi)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)，因(yin)此(ci)具(ju)有(you)特(te)殊(shu)意(yi)義(yi)。有(you)多(duo)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)可(ke)用(yong)於(yu)此(ci)類(lei)目(mu)的(de)，例(li)如(ru)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)
、溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)轉(zhuan)矩(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)。磁(ci)場(chang)測(ce)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)汽(qi)車(che)內(nei)尤(you)其(qi)常(chang)見(jian)，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)機(ji)械(xie)變(bian)量(liang)的(de)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)檢(jian)測(ce)。通(tong)常(chang)這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過(guo)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)，或(huo)者(zhe)基(ji)於(yu)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)磁(ci)阻(zu) (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(ling)敏(min)度(du)更(geng)高(gao)。但(dan)在(zai)提(ti)高(gao)準(zhun)確(que)性(xing)或(huo)降(jiang)低(di)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)方(fang)麵(mian)，二(er)者(zhe)不(bu)分(fen)伯(bo)仲(zhong)。除(chu)了(le)在(zai)電(dian)子(zi)羅(luo)盤(pan)中(zhong)利(li)用(yong)磁(ci)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)地(di)球(qiu)磁(ci)場(chang)之(zhi)外(wai)，尤(you)其(qi)是(shi)借(jie)助(zhu)磁(ci)場(chang)指(zhi)示(shi)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)動(dong)和(he)位(wei)置(zhi)時(shi)
，可(ke)使(shi)用(yong)磁(ci)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)確(que)定(ding)角(jiao)度(du)和(he)速(su)度(du)。防(fang)滑(hua)係(xi)統(tong)、引yin擎qing和he傳chuan送song控kong製zhi都dou需xu要yao這zhe種zhong數shu據ju。產chan生sheng磁ci場chang的de永yong磁ci體ti的de機ji械xie設she計ji和he選xuan擇ze會hui在zai很hen大da程cheng度du上shang影ying響xiang測ce量liang數shu據ju的de獲huo取qu。因yin此ci，在zai部bu署shu整zheng個ge係xi統tong之zhi前qian使shi用yong仿fang真zhen技ji術shu進jin行xing深shen入ru分fen析xi非fei常chang重zhong要yao，以yi確que保bao達da到dao目mu標biao功gong能neng並bing降jiang低di成cheng本ben。因yin此ci
，在zai前qian期qi開kai發fa過guo程cheng中zhong建jian立li係xi統tong模mo型xing，之zhi後hou用yong於yu支zhi持chi後hou續xu產chan品pin的de開kai發fa
，對dui於yu解jie決jue設she計ji過guo程cheng中zhong產chan生sheng的de這zhe類lei問wen題ti也ye能neng發fa揮hui重zhong要yao作zuo用yong。下xia文wen將jiang探tan討tao新xin型xing速su度du傳chuan感gan器qi的de整zheng體ti係xi統tong建jian模mo和he仿fang真zhen。
信號檢測

現代傳感器係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，後來由 Lord Klevin 於 1857 nianfaxiandegexiangyixingcizuxiaoyingtebieshiyongyujiancecichang。shouxiankaolvtongchangjuyouduozhongcichoujiegoudetiecixingcailiao。zhexiechengzhiweiweisicichoudejiegou，qineibucihuadefangxiangbicibutong。ruguojiangzhezhongcailiaopingpuweiyiboceng，namecihuashiliangchuyucailiaocengpingmianfangxiang。lingwai，kejiaojingquedijiashezhicunzaiyigecichou。dangzhezhongyuanjianbaoluyuwaibucichangzhongshi

，houzhehuigaibianneibucihuashiliangdefangxiang。ruguotongshiyigudianliutongguogaiyuanjian，jiuhuichanshengdianzu(圖 2)
，這(zhe)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)流(liu)和(he)磁(ci)化(hua)之(zhi)間(jian)的(de)角(jiao)度(du)。當(dang)電(dian)流(liu)和(he)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)彼(bi)此(ci)成(cheng)直(zhi)角(jiao)時(shi)，電(dian)阻(zu)最(zui)小(xiao)，當(dang)二(er)者(zhe)平(ping)行(xing)時(shi)，電(dian)阻(zu)最(zui)大(da)。電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)的(de)大(da)小(xiao)取(qu)決(jue)於(yu)材(cai)料(liao)。鐵(tie)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)性(xing)質(zhi)也(ye)決(jue)定(ding)對(dui)溫(wen)度(du)的(de)依(yi)賴(lai)性(xing)。電(dian)阻(zu)最(zui)大(da)變(bian)化(hua)為(wei) 2.2% 並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。恩智浦所有傳感器係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，以增強輸出信號並改善溫度反應特性。此電路也可在製造過程中進行微調。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：編碼器輪和傳感器係統。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suo示shi，傳chuan感gan器qi頭tou上shang也ye必bi須xu有you一yi塊kuai用yong於yu產chan生sheng磁ci場chang的de永yong磁ci體ti。接jie下xia來lai，我wo們men隻zhi討tao論lun因yin公gong差cha極ji小xiao而er著zhu稱cheng的de被bei動dong編bian碼ma器qi輪lun。當dang傳chuan感gan器qi對dui稱cheng地di麵mian對dui一yi個ge齒chi或huo者zhe被bei動dong輪lun兩liang齒chi之zhi間jian的de空kong隙xi時shi
，這zhe不bu會hui使shi AMR yuanjiandecihuashiliangchanshengrenhepianxie。hulvewaibuzaoshengchangbingkaolvqiaodianlushi，shuchuxinhaohuodelingzhi。raner，ruguochuanganqitouchuyuchibianyuanqianmian，zecishuruxinhaodadaojizhi。chi/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衝序列，而且通常通過 7/14 mA 協(xie)議(yi)傳(chuan)送(song)。在(zai)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，可(ke)使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)產(chan)生(sheng)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)。通(tong)常(chang)會(hui)向(xiang)比(bi)較(jiao)器(qi)電(dian)路(lu)添(tian)加(jia)磁(ci)滯(zhi)以(yi)消(xiao)除(chu)低(di)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。然(ran)而(er)，這(zhe)種(zhong)施(shi)密(mi)特(te)觸(chu)發(fa)器(qi)在(zai)噪(zao)聲(sheng)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)不(bu)能(neng)確(que)保(bao)其(qi)功(gong)能(neng)性(xing)。例(li)如(ru)，傳(chuan)感(gan)器(qi)頭(tou)和(he)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)之(zhi)間(jian)空(kong)隙(xi)出(chu)現(xian)顯(xian)著(zhu)波(bo)動(dong)會(hui)導(dao)致(zhi)磁(ci)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)振(zhen)幅(fu)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)。如(ru)果(guo)振(zhen)幅(fu)變(bian)得(de)很(hen)小(xiao)，甚(shen)至(zhi)不(bu)再(zai)超(chao)過(guo)或(huo)低(di)於(yu)磁(ci)滯(zhi)臨(lin)界(jie)值(zhi)，則(ze)不(bu)管(guan)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)的(de)位(wei)置(zhi)如(ru)何(he)，輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)都(dou)保(bao)持(chi)其(qi)有(you)效(xiao)工(gong)作(zuo)時(shi)的(de)最(zui)後(hou)狀(zhuang)態(tai)。在(zai)檢(jian)測(ce) ABS 係統中的轉速時，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heng向xiang作zuo用yong於yu輪lun上shang的de離li心xin力li會hui在zai輪lun軸zhou上shang產chan生sheng彎wan曲qu力li矩ju。這zhe將jiang改gai變bian安an裝zhuang在zai與yu傳chuan感gan器qi相xiang關guan的de軸zhou上shang的de編bian碼ma器qi輪lun的de位wei置zhi，這zhe些xie傳chuan感gan器qi是shi與yu輪lun懸xuan架jia相xiang結jie合he的de。

磁ci位wei移yi也ye會hui影ying響xiang係xi統tong的de正zheng常chang運yun轉zhuan。例li如ru
，噪zao聲sheng場chang可ke使shi實shi際ji測ce量liang信xin號hao加jia強qiang或huo減jian弱ruo，致zhi使shi施shi密mi特te觸chu發fa器qi的de臨lin界jie值zhi被bei高gao估gu或huo低di估gu。然ran而er
，位wei移yi不bu僅jin是shi由you外wai部bu場chang引yin起qi的de。被bei動dong輪lun極ji高gao的de速su度du可ke使shi輪lun中zhong產chan生sheng渦wo流liu，而er這zhe又you會hui產chan生sheng磁ci噪zao聲sheng場chang。所suo產chan生sheng的de位wei移yi會hui影ying響xiang操cao作zuo的de可ke靠kao性xing。

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)。後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。用於故障排除的中心元件為包括調式放大器、pianyidixiaodianluhezhinengbijiaoqi。genjuchuanganqihebianmaqilunzhijiandejuli，ketiaoshifangdaqikeyiyuxinhaojipipei。duiyupianyidixiaodianlu，youyizhongkongzhixitong(與高通濾波器不同)可消除偏移
，同時將係統頻率保持為 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，並且可設置，使磁滯處於信號振幅的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑製噪聲
，而且振幅突降達 50% 也(ye)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)運(yun)轉(zhuan)。模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)的(de)個(ge)別(bie)組(zu)件(jian)控(kong)製(zhi)則(ze)通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou)實(shi)現(xian)。所(suo)述(shu)係(xi)統(tong)均(jun)利(li)用(yong)仿(fang)真(zhen)技(ji)術(shu)開(kai)發(fa)和(he)驗(yan)證(zheng)。下(xia)文(wen)將(jiang)概(gai)略(lve)介(jie)紹(shao)係(xi)統(tong)開(kai)發(fa)，同(tong)時(shi)闡(chan)述(shu)如(ru)何(he)使(shi)用(yong)模(mo)型(xing)來(lai)改(gai)進(jin)設(she)計(ji)。
 
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係統仿真

要(yao)開(kai)發(fa)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)
，首(shou)先(xian)必(bi)須(xu)對(dui)預(yu)期(qi)的(de)磁(ci)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)有(you)一(yi)個(ge)總(zong)體(ti)了(le)解(jie)。首(shou)先(xian)要(yao)了(le)解(jie)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)頭(tou)上(shang)永(yong)磁(ci)體(ti)的(de)標(biao)準(zhun)規(gui)格(ge)

，以(yi)及(ji)預(yu)期(qi)尺(chi)寸(cun)和(he)公(gong)差(cha)。通(tong)過(guo) ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場。這裏就有對編碼器輪、傳感器元件和磁體進行建模的問題(圖 5)。然後便可根據傳感器元件和編碼器輪之間的距離，確定與之呈函數關係的磁場強度。圖 6 是shi傳chuan感gan器qi橋qiao上shang的de磁ci輸shu入ru信xin號hao與yu距ju離li呈cheng函han數shu關guan係xi的de三san維wei圖tu示shi。很hen容rong易yi看kan出chu輸shu入ru信xin號hao呈cheng正zheng弦xian曲qu線xian，信xin號hao振zhen幅fu隨sui距ju離li增zeng加jia而er明ming顯xian減jian小xiao。除chu了le距ju離li之zhi外wai，位wei置zhi偏pian離li也ye會hui導dao致zhi振zhen幅fu減jian小xiao。例li如ru
，如ru果guo傳chuan感gan器qi頭tou不bu在zai編bian碼ma器qi輪lun前qian麵mian的de中zhong心xin位wei置zhi，那na麼me信xin號hao振zhen幅fu也ye會hui減jian小xiao。根gen據ju FEM仿真方法，這樣也可將機械規範轉化成預期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會導致偏移，這同樣會影響係統的正常運轉。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。

確定磁場之後是傳感器係統仿真。AMR yuanjiandedianzubianhuashigexiangyixingcizuxiaoyingdezhijiejieguo。zheyang
，cichangfangzhendejieguohuidaozhidaibiaoxinhaochulizhongshuruxinhaodedianzufashengbianhua。duimoniqianduanjinxingjianmokecaiyong Simulink。這種行為模型是概念設計的產物，標誌著產品開發的起點。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製部分，這由數字係統實現。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後就會最終成形。因此
，整體係統仿真是 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 設計及後續階段。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，而模擬係統部件仍保持為 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，並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於，能夠更快速、更準確地答複客戶的查詢，以及更好地了解與環境條件相關的傳感器功能。

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結論

通過此項建模
，可以分析與輸入信號呈函數關係的係統行為。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，之後 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。下麵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，也可以檢查數字控製的運行情況。圖 10 顯示的是 ModelSim 中的信號圖象實例。

通過MATLAB 進行仿真控製並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。然後可以使用大量算法在 MATLAB 中進行信號仿真。例如
，對所需係統和信號參數進行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨後進行自動化分析。通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴展所仿真的係統組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關編碼器，從而將係統視圖擴展到傳感器周圍直接相關的區域。圖 11 顯示的是用於此目的的整個工具鏈。
 
總結

許多汽車應用中都采用基於 AMR xiaoyingdexiandaizhinengchuanganqi。duichuanganqixitongdeyaoqiuziranhuiyinyingyongeryi。zaibushuzhenggexitongzhiqianxianjinxingxitongfangzhenkequebaogexianggongnengfuheguifan。jiashefaxiancibianliang、機ji械xie變bian量liang和he電dian變bian量liang之zhi間jian存cun在zai複fu雜za的de相xiang互hu影ying響xiang，隻zhi用yong一yi件jian簡jian單dan的de仿fang真zhen工gong具ju不bu能neng解jie決jue問wen題ti。此ci時shi需xu要yao結jie合he使shi用yong不bu同tong工gong具ju，每mei件jian工gong具ju都dou是shi針zhen對dui特te定ding任ren務wu的de最zui佳jia解jie決jue方fang案an。因yin此ci使shi用yong磁ci場chang仿fang真zhen器qi來lai確que定ding磁ci輸shu入ru信xin號hao，同tong時shiSimulink對模擬輸入進行仿真。HDL設she計ji之zhi後hou對dui模mo擬ni部bu件jian進jin行xing數shu字zi控kong製zhi仿fang真zhen。最zui終zhong整zheng個ge係xi統tong實shi現xian全quan麵mian仿fang真zhen。建jian模mo已yi成cheng為wei預yu開kai發fa的de一yi部bu分fen
，並bing隨sui著zhe產chan品pin開kai發fa的de進jin程cheng不bu斷duan優you化hua改gai進jin。最zui後hou就jiu會hui得de到dao經jing過guo驗yan證zheng確que認ren符fu合he產chan品pin規gui範fan的de設she計ji
，以yi及ji可ke用yong來lai解jie決jue後hou續xu問wen題ti的de模mo型xing

，作zuo為wei市shi場chang支zhi持chi的de一yi部bu分fen。