磁阻角度和線(xiàn)性位置測(cè)量 - 全文

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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(cè)量解決方案，可用于角度或線(xiàn)性位置測(cè)量。該雙 芯片系統(tǒng)在180°范圍內(nèi)具有優(yōu)于0.2°的角精度，在0.5英寸范 圍內(nèi)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(zhǎng)度測(cè)量關(guān) 鍵型應(yīng)用，比如機(jī)床速度控制、起重機(jī)角度控制、無(wú)刷直 流電機(jī)和其他工業(yè)或汽車(chē)應(yīng)用。

圖1. 磁阻角度和線(xiàn)性檢測(cè)系統(tǒng)(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(hào)調(diào)理 放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器，以及用于溫度補(bǔ)償?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/溫度傳感器/" target="_blank">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(biāo)稱(chēng)值G = 40) 儀表放大器。ADA4571可提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)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(hào)。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(zhuǎn)磁場(chǎng)提供兩路正弦輸出信號(hào)，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(nèi)，輸 出信號(hào)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(nèi)部連接提供焊線(xiàn)斷開(kāi)檢測(cè)。

ADA4571采用8引腳SOIC封裝。

VSIN和VCOS輸出的輸出阻抗為50 Ω，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(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)該引腳連接邏輯高電平，則下次轉(zhuǎn)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(hào)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(nèi)部2.5 V基準(zhǔn) 電壓源。VREF引腳提供該電壓，但將其用于系統(tǒng)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(shù)字字通常在 DOUTA和DOUTB每個(gè)數(shù)據(jù)流包括1個(gè)前導(dǎo)零，隨后是3個(gè)狀態(tài)位，再加上12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，保持CS 引腳為低電 平并持續(xù)額外16個(gè)時(shí)鐘周期，則兩個(gè)數(shù)字字均可從一個(gè)通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)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(fù)用器。A0輸 入引腳上的邏輯0允許A1和A2輸入端轉(zhuǎn)換，而A0輸入引腳 上的邏輯1允許B1和B2輸入端轉(zhuǎn)換。ADA4571的溫度傳感 器輸出連接AD7866的B1輸入，并允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件溫 度校準(zhǔn)。

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(yīng)示例如圖2所示。電流(I)流過(guò)導(dǎo)體，受外部磁場(chǎng) (HY)影響。導(dǎo)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(shù)關(guān)系。磁化矢量是內(nèi)部磁場(chǎng)(HX)與施 加的外部磁場(chǎng)(HY)的凈求和結(jié)果。

當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時(shí)，具有最大電阻。當(dāng)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(yīng)要求導(dǎo)體自身必須對(duì)機(jī)械應(yīng)力材料不敏 感，但對(duì)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(cè)量系統(tǒng)時(shí)會(huì)具有設(shè)計(jì) 挑戰(zhàn)性。

首先，透磁合金具有較窄的線(xiàn)性工作區(qū)(見(jiàn)圖3)。僅當(dāng)磁化 矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(?)變大時(shí)，響應(yīng)才是線(xiàn) 性的。不幸的是，線(xiàn)性響應(yīng)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(duì)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(fù)，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(yīng)

圖5顯示向透磁合金條中加入雙色條磁極后的結(jié)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(xiàn)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(qiáng)度

磁場(chǎng)強(qiáng)度至少為25 kA/m，才能確保滿(mǎn)足ADA4571數(shù)據(jù)手冊(cè) 中的規(guī)格。該激勵(lì)磁場(chǎng)必須與ADA4571封裝內(nèi)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(qiáng)或更大的磁體才能確保達(dá)到最小磁場(chǎng)強(qiáng)度要求。

圖6. 用于轉(zhuǎn)軸角度測(cè)量的磁體方向與氣隙

傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

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

圖7. ADA4571雙惠斯登電橋配置

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生正弦(2?)和余弦(2?)輸出信號(hào)，如圖8所示。 兩個(gè)信號(hào)在180°范圍內(nèi)均為周期信號(hào)，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(cè)量檢測(cè)。

圖8. 磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

ADA4571傳感器標(biāo)稱(chēng)靈敏度為每通道52 mV/°，這意味著磁 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(yùn) 的是，當(dāng)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(qū)域。

系統(tǒng)帶寬、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)

磁場(chǎng)角度矢量是理解電路帶寬的重要內(nèi)容。ADC每微秒 轉(zhuǎn)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(duì)于1 MSPS ADC，這表示磁場(chǎng)的 最大可用角速度為2.778 kHz。

旋轉(zhuǎn)測(cè)量測(cè)試結(jié)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(jī)可對(duì)金屬桿進(jìn)行精細(xì)角 度控制。傳感器精確安裝在磁體正面。氣隙設(shè)為2 mm。只 要磁鐵激勵(lì)使傳感器完全飽和，則結(jié)果便與氣隙基本無(wú)關(guān)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，創(chuàng)造出與傳感器相交的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生重復(fù) 性正弦和余弦輸出電壓，適合進(jìn)行角度計(jì)算和數(shù)據(jù)采集。

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

圖9. 數(shù)據(jù)采集測(cè)試設(shè)置——軸尾配置

圖10. 無(wú)刷直流電機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置照片

圖11通過(guò)磁體的多次轉(zhuǎn)動(dòng)，將電機(jī)的機(jī)械角與傳感器的計(jì) 算磁場(chǎng)角相比較。該計(jì)算利用兩個(gè)輸出之比的反正切函 數(shù)。未進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，誤差接近±1°。
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圖11. 失調(diào)校正前的角誤差與機(jī)械角之間的關(guān)系?

圖12顯示僅有一次失調(diào)校正的誤差。無(wú)需針對(duì)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(diào)節(jié)。使用 每個(gè)通道的峰峰值或平均值可確定失調(diào)值，因?yàn)樗灤┱?個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)。從對(duì)應(yīng)通道中減去失調(diào)，以獲得線(xiàn)性傳感器 響應(yīng)。最大誤差接近±0.2°，而該范圍內(nèi)的絕大部分誤差小 于±0.1°。

圖12. 僅針對(duì)失調(diào)進(jìn)行校正后的角誤差與機(jī)械角的關(guān)系

線(xiàn)性位置測(cè)試結(jié)果

創(chuàng)建增量線(xiàn)性位置測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，只需進(jìn)行極少量的修改。 采用由一系列變化的南北極組成的多極條狀磁體代替現(xiàn)有 磁體，如圖13所示。

圖13. 線(xiàn)性位置測(cè)量磁體、PCB和傳感器

隨著傳感器沿與磁體平行方向移動(dòng)，每轉(zhuǎn)過(guò)磁極長(zhǎng)度的 180°，它都會(huì)檢測(cè)磁場(chǎng)。磁極長(zhǎng)度(P)和傳感器的角度精度 (? = 0.05°)確定理論精度(Δx)。

Δx = P × Δ?/180°

這樣便形成了僅有一個(gè)磁極長(zhǎng)度的絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。若磁體 有多個(gè)磁極，則對(duì)通過(guò)的磁極進(jìn)行計(jì)數(shù)可獲得更精確的讀 數(shù)。傳感器與磁體的理想距離是磁體磁極長(zhǎng)度的一半。

通過(guò)在數(shù)顯卡尺的臂上安裝磁體，測(cè)試EVAL-CN0368-SDPZ PCB。安放EVAL-CN0368-SDPZ PCB，使其ADA4571 AMR 傳感器(U5)正面與磁體正面垂直。當(dāng)磁體移動(dòng)時(shí)，數(shù)顯卡 尺顯示移動(dòng)的距離，精度達(dá)0.0005英寸。同時(shí)，磁力線(xiàn)與 傳感器相交，提供可用輸出范圍。圖14是該設(shè)置的功能框 圖，圖15是該設(shè)置的照片。

圖14. 線(xiàn)性測(cè)量的數(shù)據(jù)采集測(cè)試設(shè)置

圖15. 基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置照片

該設(shè)置采用了長(zhǎng)度為2英寸的磁體，放置位置離開(kāi)傳感器1 英寸。建議用于線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的傳感器至磁體氣隙等于磁 體磁極長(zhǎng)度的一半。通過(guò)沿x軸移動(dòng)磁體來(lái)采集數(shù)據(jù)，并 將評(píng)估軟件讀數(shù)與卡尺數(shù)字顯示屏的讀數(shù)做比較。圖16顯 示1.0英寸范圍內(nèi)記錄的輸出位置誤差。整個(gè)范圍內(nèi)的誤差 為±2密耳。

圖16. 磁場(chǎng)位置誤差：1.0英寸范圍

將測(cè)量范圍限制在0.4英寸可獲得更好的測(cè)量結(jié)果。注意， 0.4英寸與圖8所示的三角波的線(xiàn)性部分重合，并將測(cè)量限 制在30°范圍內(nèi)。對(duì)此更改范圍應(yīng)用新的增益校正系數(shù)，可 獲得±1密耳的誤差，如圖17所示。

圖17. 磁場(chǎng)位置誤差：0.4英寸范圍

傳感器放在磁體本體的中央，如圖18所示。當(dāng)傳感器相對(duì)磁 體上下移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)常見(jiàn)誤差源——垂直對(duì)齊誤差。

圖18. 基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置照片：垂直對(duì)齊誤差

圖19顯示了傳感器與磁體在垂直方向上未對(duì)齊所造成的誤 差。測(cè)試將PCB上移或下移0.25英寸和0.5英寸，然后獲取 數(shù)據(jù)。對(duì)于1.0英寸測(cè)量范圍，將目標(biāo)上移或下移0.25英寸 會(huì)給計(jì)算增加數(shù)密耳的誤差。上移或下移0.5英寸會(huì)使測(cè)量 情況更糟，原始讀數(shù)的誤差會(huì)增加數(shù)十密耳。

圖19. 磁場(chǎng)位置誤差：垂直對(duì)齊誤差

通過(guò)調(diào)整增益校正系數(shù)，可以減小這些誤差，但無(wú)法完全 消除。增大與磁體的距離會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，磁 力線(xiàn)的方向會(huì)使得某些數(shù)據(jù)不可恢復(fù)。
第二個(gè)常見(jiàn)的誤差源是旋轉(zhuǎn)對(duì)齊誤差，如圖20所示。雖然 傳感器和磁體相對(duì)于垂直軸上定位理想，但傳感器與磁體 的正面并不平行。

圖20. 基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置照片：旋轉(zhuǎn)對(duì)齊誤差?

圖21顯示了與旋轉(zhuǎn)對(duì)齊誤差有關(guān)的讀數(shù)。綠線(xiàn)顯示了平行 配置所記錄的誤差，紅線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)顯示了傳感器相對(duì)于磁體 正面左右旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的額外誤差。

圖21. 磁場(chǎng)位置誤差：旋轉(zhuǎn)對(duì)齊誤差

最后一個(gè)常見(jiàn)的誤差源是傳感器至磁體距離，如圖22所 示。傳感器與磁體的理想距離是磁體長(zhǎng)度的一半。增大或 減小該距離都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)組誤差。圖22顯示了磁體和傳感 器相距太近的基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置。

圖22. 基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置照片：平面距離變化

磁體與傳感器的距離先后設(shè)置為0.1英寸、0.5英寸和1英 寸，然后獲取數(shù)據(jù)。圖23顯示了不同配置相關(guān)的誤差。

圖23. 磁場(chǎng)位置誤差：平面距離變化

通過(guò)調(diào)整增益校正系數(shù)，可以減小這些誤差，但無(wú)法完全消除。增大或減小與磁體的距離會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，磁力線(xiàn)的方向會(huì)使得某些數(shù)據(jù)不可恢復(fù)。

圖24是LabVIEW?評(píng)估軟件的屏幕截圖，該軟件可用于角位置應(yīng)用的一切讀數(shù)顯示與計(jì)算。圖25是線(xiàn)性測(cè)量選項(xiàng)卡的 屏幕截圖。

圖24. CN0368評(píng)估軟件旋轉(zhuǎn)測(cè)量選項(xiàng)卡屏幕截圖

圖25. CN0368評(píng)估軟件線(xiàn)性測(cè)量選項(xiàng)卡屏幕截圖

校準(zhǔn)期間確定每個(gè)惠斯登電橋的最大和最小電壓輸出(VMAX 和VMIN)。了解這些數(shù)值可以更精確地將電壓映射到數(shù)字碼。通過(guò)選擇校準(zhǔn)方法下拉框，用戶(hù)可以有兩種方法確定 VMAX和VMIN值。

第一種方法是在磁激勵(lì)360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟件確定VMAX和 VMIN。隨后，軟件計(jì)算各通道的失調(diào)電壓值，并使用這些值來(lái)確定磁場(chǎng)角度。

第二種方法是在磁激勵(lì)360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟件確定VMAX、VMIN 和VTEMP。然后在不同的溫度下重復(fù)該步驟。軟件使用這些 變量計(jì)算各通道的失調(diào)電壓和溫度相關(guān)性，進(jìn)而計(jì)算磁場(chǎng)角度。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源 和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部 分CN-0368 系統(tǒng)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。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論 述，請(qǐng)參見(jiàn)MT-031 指南 ；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見(jiàn)MT-101 指南。

所有IC的電源應(yīng)當(dāng)用1μF和0.1μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪 聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。對(duì)于所有高 頻去耦，建議使用陶瓷電容。

電源走線(xiàn)應(yīng)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(yīng)。通過(guò)數(shù)字地將時(shí)鐘及其它快速開(kāi)關(guān)數(shù)字 信號(hào)屏蔽起來(lái)，使之不影響電路板的其它器件。圖26為 PCB的照片。

用于CN-0368的完整設(shè)計(jì)支持包可參見(jiàn) .

圖26. EVAL-CN0368-SDPZ板的照片

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路使用EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)板和 EVAL-CN0368-SDPZ電路板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接 連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。

EVAL-CN0368-SDPZ包含待評(píng)估電路，如CN-0368所述。 EVAL-SDP-CB1Z板與CN0368評(píng)估軟件一同使用，捕獲 EVAL-CN0368-SDPZ電路板的數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求需要以下設(shè)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(píng)估軟件
* 傳感器封裝處磁場(chǎng)強(qiáng)度不低于25 kA/m的釹磁體

開(kāi)始使用

將CN0368評(píng)估軟件光盤(pán)放入PC，加載評(píng)估軟件。打開(kāi)我 的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤(pán)的驅(qū)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(píng)估軟件。

功能框圖

圖27所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

圖27. 測(cè)試設(shè)置框圖

設(shè)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(qǐng)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(zhuǎn)磁體而設(shè)計(jì) 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(yuǎn)離IC很重要，因?yàn)槿魏坞s散磁場(chǎng)都會(huì) 使傳感器輸出電壓產(chǎn)生誤差。

測(cè)試

為直流管式插孔、J4連接器上電。啟動(dòng)CN0368評(píng)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(shù)據(jù)。

有關(guān)EVAL-SDP-CB1Z的信息，請(qǐng)參閱SDP用戶(hù)指南.

有關(guān)測(cè)試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的 詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN-0368 軟件用戶(hù)指南。