為什麼AMR感測器是高精度位置測量的好選擇?

作者:ADI 現場應用工程師 Benjamin Reiss


問題:

測量移動和旋轉元件位置的最佳感測器類型是什麼?

RAQ Issue 198: Why AMR Sensors Are a Great Option for High Precision Position Measurements!

答案:

請試試異向性磁電阻(AMR)感測器,例如ADA4570。

目前有許多不同的方法可測量移動和旋轉元件的位置。除了光學編碼器、霍爾感測器和旋變器外,還有基於磁阻效應的磁感測器可供使用。磁阻效應分三種:巨磁阻(GMR)效應、隧道磁阻(TMR)效應和異向性磁電阻(AMR)效應,本文將深入探討最後一種效應。

ADI的 ADA4570 AMR感測器利用了鐵磁性材料的特性,即電阻取決於磁化方向——該現象由William Thomson(Kelvin勳爵)於大約1851年發現:

Equation 1

其中α為磁化方向與電流方向的夾角。

在線性位移測量中,為獲得最佳感測器回應,感測器的位置應適當,以使磁體和感測器處於同一平面,並且磁體的中心與感測器的中心一致。由於AMR感測器無法區分北極和南極,因此不能改變磁體的位置。

Figure 1. Linear displacement measurement (left), off-shaft measurement (middle), and end-of-shaft measurement (right).
圖1.線性位移測量(左)、離軸測量(中)和軸尾測量(右)

對於旋轉元件,所謂的離軸或軸端是常見的配置。在離軸配置示例中(參見圖1),感測器正弦/餘弦輸出重複每極的絕對資訊——例如,4極對磁體是45°。

在軸端配置中(參見圖1),感測器位於旋轉偶極磁體下方;在這種情況下,北極和南極在磁體中心上方形成一個勻強磁場。適當定位感測器,使得磁場和要測量的元件處於同一平面。典型應用是無刷直流馬達中的轉子位置測量和控制。AMR感測器是180°角感測器,因此馬達必須是偶數極對電機;奇數極對的馬達需要360°資訊以便換向。相較於常規霍爾感測器(其也用於馬達控制),AMR感測器如ADA4570和 ADA4571 具有更高的精密性。AMR感測器還能降低扭矩漣波,並在啟動後或空閒狀態提供與馬達位置無關的真正上電絕對位置資訊。

ADI的AMR技術透過兩個惠斯通電橋測量角度,一個電橋相對於另一個電橋旋轉45°(參見圖2)。角度透過正弦和餘弦函數計算,代表相對於感測器(ADA4570)的0°到180°的方向。

Equation 2

AMR感測器區分電氣角度和機械角度。由於AMR感測器的工作原理和上述惠斯通電橋之間的45°角,機械旋轉180°後,絕對角度便可透過式2測量得到。對於偶極磁體,經過360°旋轉,電氣週期重複兩次。當AMR感測器在飽和情況下工作,在某一最小磁場強度時,絕對場強便與此無關,由此展現出在強磁條件下工作時穩固系統的餘裕。

Figure 2. ADA4570, ADA4571, and ADA4571-2 AMR configurations with Wheatstone bridges at a 45° angle to each other.
圖2.ADA4570、ADA4571和ADA4571-2 AMR配置,惠斯通電橋彼此成45°角

除了光學感測器、霍爾感測器和旋變器外,磁感測器在很多不同應用中提供了一種更優雅、高精度和穩固性的位置測量解決方案。ADI為此提供了許多可能性,例如ADA4570、ADA4571和 ADA4571-2 (適合需要安全備用的情況)。欲瞭解有關此主題的更多資訊,請參閱文末列出的參考資料。

參考資料

Guyol,Robert。「AN-1314應用筆記:AMR角度感測器」。ADI,2014年10月。

Nicholl,Enda。「適用於安全關鍵應用的雙AMR馬達位置感測器」《類比對話》,第53卷第4期,2019年11月。