【導讀】多圈傳感器本質上是將磁寫入和電子讀取存儲器與傳統的磁性角度傳感器相結合，以提供高精度的絕對位置。“具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)”中(zhong)描(miao)述(shu)的(de)磁(ci)寫(xie)入(ru)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)特(te)定(ding)的(de)操(cao)作(zuo)窗(chuang)口(kou)來(lai)維(wei)持(chi)入(ru)射(she)磁(ci)場(chang)。如(ru)果(guo)磁(ci)場(chang)過(guo)高(gao)或(huo)過(guo)低(di)，可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)磁(ci)寫(xie)入(ru)錯(cuo)誤(wu)。在(zai)設(she)計(ji)係(xi)統(tong)磁(ci)體(ti)時(shi)必(bi)須(xu)小(xiao)心(xin)仔(zai)細(xi)
，並(bing)考(kao)慮(lv)可(ke)能(neng)幹(gan)擾(rao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)任(ren)何(he)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)以(yi)及(ji)產(chan)品(pin)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)內(nei)的(de)機(ji)械(xie)公(gong)差(cha)。較(jiao)小(xiao)的(de)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)角(jiao)度(du)出(chu)現(xian)誤(wu)差(cha)，而(er)較(jiao)大(da)的(de)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)磁(ci)寫(xie)入(ru)錯(cuo)誤(wu)，從(cong)而(er)引(yin)起(qi)總(zong)圈(quan)數(shu)錯(cuo)誤(wu)。

摘要

基於巨磁阻(GMR)chuanganjishudezhenzhengshangdianduoquanchuanganqibijiangchedigaibiangongyeheqicheyonglizhongdeweizhichuanganshichang，yinweiyuxianyoujiejuefanganxiangbi
，qixitongfuzaxingheweihuyaoqiugengdi。benwenshuomingleshejicixingxitongshibixukaolvdeyixieguanjianyinsu
，yiquebaozaiyaoqiuyankedeyingyongzhongyenengkekaoyunxing。qizhonghaijieshaoleyizhongcixingcankaosheji，fangbianzaoqicaiyonggaijishu。zaishangyipianwenzhangzhong
，womenjieshaoleduoquanchuanganjishuyijiyixieguanjianyingyonglingyu，lirujiqiren
、編碼器和線控轉向係統。

引言

多圈傳感器本質上是將磁寫入和電子讀取存儲器與傳統的磁性角度傳感器相結合
，以提供高精度的絕對位置。“具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)”中(zhong)描(miao)述(shu)的(de)磁(ci)寫(xie)入(ru)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)特(te)定(ding)的(de)操(cao)作(zuo)窗(chuang)口(kou)來(lai)維(wei)持(chi)入(ru)射(she)磁(ci)場(chang)。如(ru)果(guo)磁(ci)場(chang)過(guo)高(gao)或(huo)過(guo)低(di)，可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)磁(ci)寫(xie)入(ru)錯(cuo)誤(wu)。在(zai)設(she)計(ji)係(xi)統(tong)磁(ci)體(ti)時(shi)必(bi)須(xu)小(xiao)心(xin)仔(zai)細(xi)，並(bing)考(kao)慮(lv)可(ke)能(neng)幹(gan)擾(rao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)任(ren)何(he)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)以(yi)及(ji)產(chan)品(pin)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)內(nei)的(de)機(ji)械(xie)公(gong)差(cha)。較(jiao)小(xiao)的(de)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)角(jiao)度(du)出(chu)現(xian)誤(wu)差(cha)，而(er)較(jiao)大(da)的(de)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)磁(ci)寫(xie)入(ru)錯(cuo)誤(wu)，從(cong)而(er)引(yin)起(qi)總(zong)圈(quan)數(shu)錯(cuo)誤(wu)。

磁性參考設計目標

設計出理想的磁體和屏蔽需要仔細了解係統要求。一般來說，係統要求越寬鬆
，達到目標規格所需的磁體解決方案尺寸越大
、成本越高。ADI正在開發一係列滿足各種機械、雜散場和溫度要求的磁性參考設計
，可供ADMT4000真正上電多圈傳感器的客戶使用。ADI開發的第一個設計涵蓋了公差相對寬鬆的係統：傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm，傳感器到旋轉軸的總位移為±0.6 mm，工作溫度範圍為–40˚C至+150˚C
，雜散磁場屏蔽衰減大於90%。

磁性元件注意事項

設計磁體時
，需要考慮一些關鍵注意事項，下一節內容概述了在為GMR傳感器進行設計時需要考慮的主要方麵。

磁體材料

GMR傳感器在定義的磁窗口（16 mT至31 mT）1內運行；此外
，最大和最小工作範圍具有熱係數(TC)，如圖1中的紅色跡線所示。選擇TC與GMR傳感器匹配的磁體材料最大限度地提高工作磁場的允許變化範圍。這有助於增大磁體強度的變化和/或磁體相對於傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高於GMR傳感器，與釤鈷(SmCo)或釹鐵硼(NeFeB)等材料相比，
，其工作溫度範圍有限。

了解所選磁性材料的TC以及由於製造差異而導致的磁場強度變化後
，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場強度。然後可以在室溫下進行設計仿真，同時係統將在整個溫度範圍內按預期運行的可信度高。在圖1中，綠色實線代表磁體根據設計應在GMR傳感器的活動區域範圍內產生的磁場強度窗口。由於磁性材料製造工藝的差異，該窗口小於GMR傳感器的最大和最小操作窗口。綠色虛線表示由於>5%的典型製造差異而產生的最大和最小預期磁場。

1 ADMT4000發布之前，操作窗口可能會發生變化。

磁體仿真

機械操作環境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用於設計磁體的仿真有兩種類型：解析仿真或有限元分析(FEA)。解析仿真使用被仿真磁體的整體參數（尺寸
、材料）求解出磁場
，除了假設磁體在空氣中運行之外，不考慮周圍環境。這是一種快速的計算，在沒有相鄰鐵磁材料時非常有用。FEA可以對較大磁性係統中含鐵材料的影響進行建模
，在將磁體與雜散磁場屏蔽或靠近磁體或傳感器的鐵磁材料組合時，此操作至關重要。FEA是一個耗時的過程，因此其通常將解析分析中的基本磁體設計作為起點。FEA用於對磁體和雜散場屏蔽的參考設計進行仿真。

磁鐵設計特性

仿真產生的參考設計磁體由一個帶有集成鋼雜散場屏蔽的SmCo磁體組成，如圖2所示。該磁體采用注塑成型設計，因此能夠批量生產。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產複雜的形狀而很常見，並且廣泛用於汽車和工業應用。該組件根據設計可與直徑為9毫米的軸形成過盈配合

；然而，可以對襯套進行修改，以便連接到不同尺寸的軸。

磁體表征

我們對磁體組件進行了仔細的表征，以展示GMR傳chuan感gan器qi的de強qiang大da磁ci性xing解jie決jue方fang案an。表biao征zheng的de關guan鍵jian是shi能neng夠gou繪hui製zhi在zai擴kuo展zhan的de磁ci鐵tie到dao傳chuan感gan器qi距ju離li窗chuang口kou範fan圍wei內nei磁ci場chang強qiang度du在zai受shou控kong環huan境jing中zhong的de詳xiang細xi圖tu。表biao征zheng成cheng功gong的de關guan鍵jian在zai於yu充chong分fen了le解jie和he校xiao準zhun所suo用yong的de磁ci場chang探tan頭tou。圖tu3顯(xian)示(shi)了(le)在(zai)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)氣(qi)隙(xi)下(xia)測(ce)量(liang)的(de)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)示(shi)例(li)，在(zai)整(zheng)個(ge)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)和(he)氣(qi)隙(xi)範(fan)圍(wei)內(nei)重(zhong)複(fu)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)耗(hao)時(shi)，但(dan)此(ci)操(cao)作(zuo)對(dui)於(yu)了(le)解(jie)磁(ci)體(ti)性(xing)能(neng)以(yi)確(que)保(bao)其(qi)在(zai)所(suo)需(xu)條(tiao)件(jian)下(xia)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

結語

總之

，參考設計磁體已被證明能夠滿足在–40°C至+150°C溫度下工作的要求
，氣隙為2.45 mm ±1 mm
，與傳感器軸向距離公差為±0.6 mm。雜散場屏蔽的詳細信息將在後續文章中介紹。

ADMT4000是首款集成式真正上電多圈位置傳感器，必將顯著降低係統設計複雜性和工作量
，最終實現體積更小、重量更輕和成本更低的解決方案。該參考設計將提供給ADI的客戶

，無論設計人員是否具備磁性設計能力，均能借此為當前應用添加或改進現有功能，並為許多新應用打開大門。

如需了解有關ADMT4000和磁性參考設計的更多信息，或聯係您當地的ADI銷售團隊，他們將樂於討論您的要求和應用。

圖1.工作窗口與典型SmCo磁體的熱係數比較。

圖2.參考設計磁體。

圖3.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場分布。

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司
，致力於在現實世界與數字世界之間架起橋梁
，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬
、數字和軟件技術的解決方案
，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，並建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元
，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。

(來源：ADI公司

，作者：Stephen Bradshaw，產品應用工程師；Christian Nau，產品應用經理；Enda Nicholl
，戰略營銷經理)

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