巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設計
2023-12-05 11:17:55 ADI公司，Stephen Bradshaw；Christian Nau；Enda Nicholl基于巨磁阻(GMR)傳感技術的真正上電多圈傳感器必將徹底改變工業和汽車用例中的位置傳感市場，因為與現有解決方案相比，其系統復雜性和維護要求更低。本文說明了設計磁性系統時必須考慮的一些關鍵因素，以確保在要求嚴苛的應用中也能可靠運行。其中還介紹了一種磁性參考設計，方便早期采用該技術。在上一篇文章中，我們介紹了多圈傳感技術以及一些關鍵應用領域，例如機器人、編碼器和線控轉向系統。
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)”中描述的磁寫入過程需要使用特定的操作窗口來維持入射磁場。如果磁場過高或過低，可能會出現磁寫入錯誤。在設計系統磁體時必須小心仔細，并考慮可能干擾傳感器的任何雜散磁場以及產品使用壽命內的機械公差。較小的雜散磁場可能會導致測量角度出現誤差，而較大的雜散磁場可能會導致磁寫入錯誤，從而引起總圈數錯誤。
設計出理想的磁體和屏蔽需要仔細了解系統要求。一般來說，系統要求越寬松，達到目標規格所需的磁體解決方案尺寸越大、成本越高。ADI正在開發一系列滿足各種機械、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松的系統：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，工作溫度范圍為–40?C至+150?C，雜散磁場屏蔽衰減大于90%。
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面。
GMR傳感器在定義的磁窗口（16 mT至31 mT）1內運行；此外，最大和最小工作范圍具有熱系數(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范圍。這有助于增大磁體強度的變化和/或磁體相對于傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高于GMR傳感器，與釤鈷(SmCo)或釹鐵硼(NeFeB)等材料相比，，其工作溫度范圍有限。
了解所選磁性材料的TC以及由于制造差異而導致的磁場強度變化后，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場強度。然后可以在室溫下進行設計仿真，同時系統將在整個溫度范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傳感器的活動區域范圍內產生的磁場強度窗口。由于磁性材料制造工藝的差異，該窗口小于GMR傳感器的最大和最小操作窗口。綠色虛線表示由于>5%的典型制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。
機械操作環境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用于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可以對較大磁性系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用于對磁體和雜散場屏蔽的參考設計進行仿真。
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復雜的形狀而很常見，并且廣泛用于汽車和工業應用。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。
我們對磁體組件進行了仔細的表征，以展示GMR傳感器的強大磁性解決方案。表征的關鍵是能夠繪制在擴展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內磁場強度在受控環境中的詳細圖。表征成功的關鍵在于充分了解和校準所用的磁場探頭。圖3顯示了在兩個不同氣隙下測量的磁場強度的示例，在整個工作溫度范圍和氣隙范圍內重復這些測量非常耗時，但此操作對于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運行至關重要。
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后續文章中介紹。
ADMT4000是首款集成式真正上電多圈位置傳感器，必將顯著降低系統設計復雜性和工作量，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，并為許多新應用打開大門。
圖1.工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數比較。
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。
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關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于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，并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。
關于作者
Stephen Bradshaw擁有利茲大學電氣工程學士學位，以及格拉斯哥大學光電學碩士和博士學位。在職業生涯的早期，Stephen曾負責意法半導體第一代手機攝像頭中所用鏡頭的設計和表征，然后在Maroni鉆研Gbps光收發器并在Nanotech Semiconductor參與了大部分光收發器的研發工作。Stephen在ADI公司工作已有10余年，在此期間擔任應用工程師，為鋰鐵和鉛酸電池監控產品線及磁性位置傳感器業務提供支持。
Christian Nau是ADI公司的產品應用經理，擁有汽車電子和傳感器方面的背景。他于2015年加入ADI公司，擔任現場應用工程師和主題專家，為歐洲、中東和非洲地區的磁性傳感器業務提供支持。自2019年以來，Christian一直在ADI公司的磁性傳感器技術事業部工作，為現有產品的客戶合作項目提供支持，并為該事業部未來在多個市場的發展方向出謀劃策。
Enda Nicholl是ADI公司駐愛爾蘭利默里克的磁性傳感器戰略營銷經理。Enda是一名機械工程師，于2006年加入ADI公司。他在傳感器和傳感器接口產品領域擁有近30年的經驗，涉及廣泛的應用和市場，包括汽車和工業。在整個職業生涯中，Enda一直從事產品應用、現場應用和銷售，以及戰略業務開發和營銷。
