AN-1314: AMR角度传感器

简介

在当今的位置检测技术中，各向异性磁阻(AMR)薄膜材料变得日益重要。相比传统技术，磁阻(MR)位置测量具有多种优势。可靠性、精度和整体鲁棒性是推动磁阻检测技术快速发展的主要因素。低成本、相对较小的尺寸、非接触式操作、宽温度范围、对灰尘和光的不敏感性、宽磁场范围，这些特性共同造就出一种鲁棒的传感器设计。

MR效应指某种材料随外加磁场的方向或幅度而改变其电阻的能力。AMR材料有两个不同的操作区间，即高场强区和低场强区。本应用笔记将讨论高场强应用，当外加磁场远远大于传感器的内部磁场时，我们就说该传感器处于饱和工作状态。在这种工作模式下，电阻的改变仅仅取决于磁场方向而非施加的磁场强度。受AMR薄膜性质影响，材料的电阻变化在两个相反磁场方向下是相等的，即是说，传感器本身无法区分北磁极和南磁极。因此，对应单个旋转偶极磁体的输出信息会在整个机械旋转过程中重复两次。这种效应使测量范围限制到180°。电阻变化可由下式来模拟：

其中：
R 为传感器电阻。
R₀为未激励传感器电阻。
ΔR₀为传感器电阻的变化。

一般地，对于AMR传感器来说， ΔR₀约为电桥总电阻的 3%。由于电阻变化极小，因此，需要用一个仪表放大器，把输出信号进一步放大到相对于电源电压的可用值。

磁体配置

AMR技术可以用来检测线性位置和旋转位置。有多种不同类型的磁体配置可与AMR角度传感器配合使用，包括线性、离轴、轴尾等配置方式。

线性

对于线性应用，磁体必须与传感器位于同一平面，如图1所示。磁体的红边和蓝边表示北极和南极的定向。该定向是可以互换的，因为AMR传感器不区分北极和南极。为了从AMR传感器获得最佳线性响应，传感器的中心和磁体的中心彼此相距距离必须等于磁体长度的一半。

图1. 线性磁体配置

离轴

旋转测量的一种磁体配置是使用一个磁极环。图2所示为理想的磁极环。彩色区域表示AMR传感器感知到的外磁场定向。类似于线性测量，要获得线性响应，磁极环必须与传感器处于同一平面，并且二者间的距离为磁极长度的一半。在整个机械旋转过程中，这类磁体配置下的传感器响应将重复多次，重复次数与磁极数量相等。对于图2中的磁极环，共有5个北极和5个南极，传感器可以感知到10个磁极。对于图中所示磁极环，每旋转一次，AMR传感器输出就会重复10次，因此，可以提供36°的绝对信息。

图2. 离轴磁体配置

轴尾

本应用笔记讨论的主要测量配置方式是一种简单的磁体配置，通常称为轴尾配置。在轴尾磁体配置中，一个已经径向磁化的偶极磁体位于旋转轴的尾部。传感器位于旋转轴和磁体的下方。在该机械设置中，径向磁体的北极和南极在磁体中心上方形成一个均强磁场。随着磁体和轴旋转，磁场也开始旋转。传感器如此放置是为了均强磁场始终与检测元件处于同一平面。图3所示为轴尾磁体配置。

图3. 轴尾磁体配置

轴尾磁体配置非常适合无刷直流电机定位和控制。对于ADA4571或任何180°角度传感器，所使用的无刷直流电机必须是一个偶对极电机，因为奇对极电机需要完全的360°位置信息。

多数闭环无刷直流电机控制使用霍尔传感器来提供转子位置反馈，用以确定线圈换向的正确位置。这些传感器的精度各不相同，但一般都在5°至10°之间。为了实现更平滑、更高效的电机响应，减少扭矩波动，需要更精确的电机角度信息。ADI公司的AMR传感器的机械精度典型值为±0.1°，最大值为±0.5°。通过更加传统的增量编码器，也可使精度达到这一水平。然而，在启动、卡止错误和环境影响时对于增量编码器来说问题表现地更加突出。ADI AMR传感器可提供启动或卡止条件下的绝对位置信息，而不受电机位置影响。借助这个绝对位置信息，可以更好地控制扭矩，使电机启动时更加平顺，还能提高电机启动效率和卡止时的性能。

电桥配置

ADI AMR传感器采用惠斯登电桥配置，与单一阻性元件相比，它支持更宽的输出电压摆幅，还能抑制较大的直流失调。当以差分方式测量单电桥对应单偶极磁体旋转时的输出，则只能获得90°的可用范围。单电桥元件在单偶极磁体360°机械旋转过程中的输出波形如图4所示。请注意，对于每个电压输出水平，都有四个可能的机械位置。

图4. 单电桥输出

把两个检测元件放置在同一管芯上，且相互呈45°旋转角，这样，传感器就可以用作完整的180°范围的测量。图5所示为两个电桥的简化电路图。

图5. 双路惠斯登电桥传感器的简化电路图

AMR传感器无论是朝向磁北极还是磁南极，其输出都是相同的。因此，当差分监测来自相应的惠斯登电桥的各个通道信号时，只需相对旋转45°即可在两个正弦输出之间形成一个90°的相移。图6所示为偶极磁体配置中，两个AMR电桥在整个机械旋转中的两路输出。

图6. 双电桥输出

AMR传感器元件

AMR检测元件的布局决定着器件的最终性能。ADI采用的是Sensitec GmbH提供的AMR技术，后者是广受认可、处于行业领先地位的MR传感器制造商。ADI产品中采用的SensitecAMR传感器运用了PERFECTWAVE®技术。PERFECTWAVE传感器运用弧形传感器元件来减少高阶谐波，提高精度。

磁角与机械角

对于AMR技术来说，必须了解两种不同的角度度量体系：磁角和机械角。受AMR技术性质的影响，ADA4571是一款面向单偶极磁体的180°机械角度传感器。由于两个相互旋转45°的AMR电桥的输出信号为正弦曲线，相对相移为90°，因此，180°的绝对角度可以通过计算arctangent2获得。

通过arctangent2计算获取的信息在360°范围内会重复两次(单偶极磁体)或更多次(多极对磁体)。图7所示为单偶极磁体在计算arctangent2之后的输出波形示例。

图7. 磁角与机械角

完成arctangent2计算即生成线性角度响应。在磁角的计算中，绝对电压和绝对磁场强度都不重要，因此，与竞争角度传感器技术相比，这些传感器对磁场强度和电压幅值变化及漂移都不敏感。

选择磁体时的考虑因素

在使用AMR传感器时，需要为传感器配上合适的磁体，才能取得最佳性能。由于其方向取决于磁场，所以使用的磁体必须径向磁化而非轴向磁化。图8所示即为这样的磁体。磁体蓝色和红色区域表示北极和南极。磁场线从磁体北极向南极运动。在磁体上方(如果是轴尾配置，必须把AMR传感器置于此处，如图3所示)，磁场线分布均匀于传感器所在平面。

图8. 磁偶极定向

一般地，AMR传感器要搭配稀土磁体使用，因为后者具有较高的磁能重量比。然而，只要能达到传感器的最小饱和磁场强度要求，也可以使用成本较低的铁氧体磁铁。但是，对于高性能和高温应用来说，如果使用稀土磁体，性能会得到提升，因为AMR传感器可以感知到更高的磁场强度。较高的磁场强度也有助于降低杂散磁场对传感器精度的影响。

用于制造稀土永磁体的两种最常见的材料是钕(NdFeB)和钐钴(SmCo)。表1所示为两种不同磁性材料的比较情况，列出了各自的主要优势。这两种磁性材料都有多个不同的等级，因此，表中只是粗略比较。对于具体特性，必须分开考察每个等级的材料。磁性材料的等级表示材料的磁能积，单位为百万高斯-奥斯特(MGOe)。该值等于具体磁性材料BH曲线的最大值。一般地，MGOe两倍的材料，其拉拔强度为同样大小的磁体的两倍。

对于AMR技术，强度较高的磁体，其性能始终优于强度较 低的磁体。

增加AMR传感器元件可以感知到的磁场强度，可以提高器件性能。因为器件存在的物理限制，所有AMR传感器中都存在较高阶的谐波。ADI产品中使用的Sensitec AMR传感器采用弧形结构，可减少许多其他传感器中存在的四阶谐波，如此，即可在较低的磁场强度条件下实现类似的性能。

ADA4571中采用的AMR检测元件的最小工作磁场强度为25 kA/m。低于此值也可工作，但结果会导致精度下降。较高的磁场强度可以提高精度，而且不会损坏器件。受AMR传感器磁场方向测量的影响，与磁通量测量不同，如果磁场强度具有较大的温度系数，结果仍是可以接受的，同时依旧能达到器件规定的误差规范。然而，在选择磁体时必须确保，要充分考虑极端工作温度条件下的磁场强度下降问题。该下降幅度可以用额定磁场强度和温度系数来计算。

磁体与传感器的关系

机械对齐对于最大限度地提高AMR传感器的性能至关重要。在设计物理系统时，必须记住几个关键参数。必须严格控制磁体与传感器之间的x-y对齐容差，使传感器感知到的磁场方向符合要求。传感器中心与磁体中心的物理对齐误差会给整个系统带来误差，该误差取决于传感器位置周围磁场的大小和一致性。在ADA4571 8引脚SOIC封装中，磁体传感器中心位于封装中心引脚2和引脚7的上沿之间。封装过程中，该额定位置各个方向上的位置精度在±50 µm之内。有关具体的对齐图，请参阅ADA4571数据手册。受控轴尾系统的磁体轴中心必须与磁传感器中心在一直线上。

气隙或z向间距对于AMR传感器的性能也很重要。虽然在绝对对齐中不如x-y相对位置重要，但也必须了解气隙参数，才能使传感器性能最大化。为了实现AMR传感器的额定性能，磁激励在设计时必须考虑至少提供传感器要求的最小磁场强度。 ADA4571要求的磁场强度为25 kA/m。提高传感器所感知的磁场强度的一种方法是减小工作气隙。然而，要特别注意，减小与磁体的距离不一定能提高器件的性能。在接近磁体表面的地方，磁场强度变得不均匀。

对气隙不敏感，这是AMR技术的一个重要特性。只要传感器在激励磁场下进入完全饱和状态，从该传感器获取到的角度信息就不会随磁场强度而变化。这意味着，因振动、应力或全寿命机械漂移导致z方向的较小位移对角度精度的影响非常小。位移容差量取决于磁体材料和几何尺寸，但范围可能达到几毫米到一厘米，甚至更多。

对齐误差和气隙测量

以下各节将展示不同磁体尺寸、强度、气隙和对齐误差条件下的测量结果。同时还用描述的方法测试了其他磁体。欲了解如何针对具体应用选择磁体，请联系ADI公司。

测量设置

把每个磁体装在一个无槽、无刷直流电机上，并以3000 rpm的恒定转速转动。

电机装在一个带有两个线性执行机构的位移平台上，一个用于相对于传感器的x向位移，一个用于y向位移。图9所示为x和y位移的规定方向。

图9. 相对于ADA4571封装的规定对齐方向

z向间距(从传感器到磁体的气隙)在测量期间固定不变。图中显示的每次测量的气隙指从磁体到封装顶部的距离。AMR传感器距离封装顶部0.38 mm(额定值)，容差为±0.025 mm。把该距离值与气隙测量结果相加，即可得到从ADA4571封装中AMR传感器管芯到磁体的距离。

两个线性执行机构以50 μm的增量移动，以覆盖2 mm × 2 mm的整个方形，即每个方向各距AMR传感器中心1 mm。用这种方法测试得到的最大径向对齐误差是1.4 mm，位于扫描范围的角落处。

注意，所有结果均经数字滤波和升采样处理，以使示意图看起来更加平滑。绝对误差值保持不变。

磁场强度研究

为了研究不同磁场强度对对齐误差的影响，我们选择了两个磁体。二者直径均为6 mm，厚3 mm。一个磁体为NdFeB，能量等级为35 MGOe，另一个磁体为SmCo，能量等级为32 MGOe。选择SmCo磁体而放弃NdFeB磁体的其他原因包 括：SmCo具有更高的温度等级，温度系数也比较低。这些因素在高温应用中更加重要。我们以所选磁体为例，说明不同磁场强度的影响。市场上也有能量等级各异的不同NdFeB和SmCo磁性材料。

在图10和图11中，色标指以度为单位的角度误差。在这些示意图中，最小角度误差位于示意图的中心，即磁体与传感器完美对齐时，其值为0.07°。

图10. SmCo (32MGOe)(气隙：1 mm)

图11. NdFeB (35 MGOe)(气隙：1 mm)

由于NdFeB磁体的磁场强度更大，因此，与SmCo磁体相比，这种磁体能在离磁体位置更大的位移范围内，保持更好的性能。在1 mm气隙条件下，这两种磁体在传感器元件处的有效磁场强度约为60 kA/m(NdFeB磁体)和50 kA/m(SmCo磁体)。下一节将考察一种尺寸更大、能量等级更低的磁体。

能量等级较低的大磁体

我们在2 mm、4 mm和6 mm气隙条件下分别测试了表3中描述的SmCO磁体，如表4所示，其中还列出了最小和最大报告误差(示意图的中心和边沿)。

在图12至图14中，色标指以度为单位的角度误差。这些示意图的最大角度误差为0.8°。

图12. SmCo (24MGOe)(气隙：2 mm)

图13. SmCo (24MGOe)(气隙：4 mm)

图14. SmCo (24MGOe)(气隙：6 mm)

在这些示意图中心，最小误差增大，如表4所示，其原因是在AMR传感器处，磁场强度要低许多，尤其是在6 mm处。根据设计，该磁体能在3 mm条件下提供25 kA/m的磁场强度。

诊断

对于监控ADA4571而言，多种后期处理诊断有助于确保系统正常运行，也/或有利于监控系统性能。在轴尾或离轴配置中，磁场强度必须在整个机械旋转过程中保持均匀。该磁场的强度必须超过25 kA/m，才能使传感器完全饱和，以克服其内部磁化效应。在达到该条件的基础上，必须使正弦通道和余弦通道的输出幅度同步，相位差为90°。受此输出同步性影响，在恒定温度条件下，半径保持不变。半径可用下式计算：

当半径 V_RAD由外部处理器或电子控制单元(ECU)监控时， 如果相对于额定半径出现任何显著偏差，就表示系统出现了故障。实时机械故障和对齐误差以及磁场强度下降等情况，都可以通过计算该半径来监控。

根据ADA4571增益控制引脚(GC)的配置，允许的输出半径以下列值为边界。该范围在图15和图16中表示为阴影区域。图中同时给出了−40°C、+25°C、+125°C和+150°C条件下的典型VRAD值。最小值和最大值见ADA4571数据手册。监控器件处的温度可以进一步收窄该允许范围。

图15. 启用GC时的有界半径

图16. 关闭GC时的有界半径

虽然正弦和余弦信号的幅度很大程度上独立于磁场强度，但是相比饱和传感器，未饱和传感器的输出幅度开始表现出下降迹象。

下面的半径和快速傅里叶变换(FFT)图(图17至图20)是用前面讨论的SmCo磁体(直径为10 mm，厚度为5 mm)测试所得。传感器以5 V电源供电，并保持在室温下。

图17所示为一个饱和传感器和一个未饱和传感器的半径图，分别以40 kA/m和10 kA/m激励。

图17. 未饱和与饱和传感器的半径

正弦和余弦输出信号的FFT是一个强大的工具，可以用来考察传感器的性能，也可用于排查整个系统的故障。

图18所示为一个对齐良好的传感器的FFT。图19所示为一 个与磁体中心对齐误差为1 mm的传感器的FFT。图20所示为 一个未饱和、大气隙传感器的FFT，其激励强度为10 kA/m。

注意，在对齐误差和未饱和传感器图中，测得的噪底增加了。对于未饱和传感器，在系统中，高阶谐波占据明显优势。这些谐波是导致传感器精度下降的主要原因。

图18. 对齐良好的传感器FFT

图19. 存在对齐误差的传感器FF

图20. 未饱和传感器的FFT

误差源

为了尽量减小传感器的角度误差，有必要了解导致误差的不同原因及其校准方式。

失调误差

传感器失调导致的误差是造成系统误差的罪魁祸首。然而，经适当校准后(见“校准程序”部分)，失调误差可以降至接近零的水平。

幅度同步误差

对于ADA4571，针对检测元件和信号调理电路的正弦和余弦通道布局都必须仔细考量，以确保获得良好的匹配性能。作为结果，ADA4571上因幅度同步导致的误差可以忽略不计，无需对幅度失配误差进行校正。

相位误差

由于两个AMR惠斯登电桥在单个芯片上的生产布局，正弦通道与余弦通道之间的内在相位误差可以忽略不计。然而，如果输出信号用多路复用模数转换器(ADC)而没有进行同步采样，结果就会引入相位误差。在较高的磁场旋转速度下，异步采样导致的误差更大，因为采样之间的相位滞后变大了。建议用两个独立的ADC，或者一个多路复用ADC配合两个同步跟踪保持放大器，对正弦和余弦输出同步采样，防止相位滞后导致误差。采样相位误差的大小直接关系到计算得到的电气误差的大小。

校准程序

为了使ADA4571达到最佳性能，要求执行一次校准程序。根据关于磁体-传感器对齐和气隙距离的建议，把机械容差固定下来，并尽量对齐机械设置。一旦系统设置完毕，传感器的失调和失调漂移就成为角度误差的主要来源。可以实施两种不同的校准：动态校准或单点校准。相比单点校准，虽然动态校准得到更小的角度误差，但要求进行更多的实时处理。

动态校准只能在360°连续或自由运转应用中执行。在该模式下，可以连续监控失调，以校准ADA4571，消除系统寿命周期和系统温度范围内的失调和失调漂移可能导致的误差。有多种方法可以从传感器输出信号获取失调信息。从整体波形中获取最大值和最小值可以准确地表现失调。通过求出在多次全机械旋转下获得的过去采样值的平均值，也可以得到准确的失调值。每个通道的失调并不相同，必须分开存储。

在获取到每个通道的失调时，控制器必须从各个通道减去相应的失调，然后计算arctangent2从器件获得角度信息。

图21. 动态校准流程图

单点校准可用于自由运转应用，也可用于静态应用。这种应用下，角度测量值移动范围不会达到一整个机械旋转。要在360°范围内实施单点校准，必须捕捉偶数次电气旋转来抽取精确的失调值。对于180°位移应用，只能捕捉到一次电气旋转用于抽取精确的失调值。把每个输出通道的相关失调信息保存在控制器中，以便进行失调补偿。

无论用哪种方法捕捉失调值，我们都建议在计算失调时，至少使用两次完全的机械旋转。然后，从信号输出中减去该失调值，再恢复角度信息。虽然单点初始校准有助于减少失调导致的角度误差，但应尽量采用动态校准以最大限度地减少传感器误差。动态校准有助于应对AMR传感器内在与温度相关的失调漂移问题。

图22. 单点校准流程图

布局建议和磁场干扰

鉴于磁性检测应用的性质，在接近传感器处使用的材料必须为非铁质材料或非磁性材料。承载交流和直流大电流线缆或走线也不得置于AMR传感器附近。根据楞次定律，任何承载大电流的线缆或走线都可能造成磁场干扰，结果可能干扰扭曲所检测的磁场方向，给系统带来更多误差。随着远离磁体，磁场强度呈三次方下降。由于存在这种立方关系，所以，承载大电流线缆与传感器之间增加任何额外间距，结果都会使传感器周围的杂散磁场量大幅减少。

如果大电流必须位于传感器附近，则可通过几种方法来减少干扰。采取磁屏蔽措施，在传感器周围设置导磁性材料(如钢)，有助于使磁传感器和激励源与外部环境隔离开来。采用强度较高的磁体也有助于减小干扰磁场的影响。

V_TEMP 输出

ADA4571有一个片内粗略温度传感器，可以用于诊断目 的。如果需要测量温度，必须在已知温度条件下对读数进 行初始校准。可以运用下式，根据 V_TEMP引脚读数计算温 度信息：

其中：
T_VTEMP为根据 V_TEMP输出电压计算出的温度(°C)。
V_TEMP是工作期间的 V_TEMP输出电压。
V_DD 是电源电压。
V_CAL 是在受控温度下校准期间的 V_TEMP输出电压。
T_CAL是校准期间的受控温度。
T_CO为内部电路的温度系数。
T_CVTEMP 为 V_TEMP读数的线性温度系数。

为了提高精度，建议使 V_DD在初始已知温度校准时和工作 时之间保持一致。TC_VTEMP 为 V_TEMP 读数的线性温度系 数。 TC_VTEMP随所用电源电压而变化，当TC = 3.173 mV/V/C 时，典型的 T_VTEMP 精度为±5°C。无论是否使用，必须用一 个22 nF电容接地，以达到电磁干扰(EMI)要求。

作者

Robert Guyol