中心議題：

• 探究汽車應用中的磁阻傳感器

解決方案：

• 通過 ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場
• 采用基於 AMR 效應的現代智能傳感器

磁阻效應支持汽車內的多種傳感器應用。磁阻傳感器主要用來測量機械係統的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件
、磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)和(he)機(ji)械(xie)元(yuan)件(jian)所(suo)組(zu)成(cheng)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。因(yin)為(wei)所(suo)有(you)元(yuan)件(jian)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)反(fan)應(ying)，所(suo)以(yi)在(zai)規(gui)劃(hua)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)操(cao)作(zuo)時(shi)要(yao)非(fei)常(chang)重(zhong)視(shi)對(dui)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)仿(fang)真(zhen)。下(xia)麵(mian)重(zhong)點(dian)討(tao)論(lun)這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)的(de)建(jian)模(mo)和(he)仿(fang)真(zhen)。

電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)日(ri)益(yi)廣(guang)泛(fan)
，對(dui)汽(qi)車(che)的(de)發(fa)展(zhan)具(ju)有(you)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)促(cu)進(jin)作(zuo)用(yong)。未(wei)來(lai)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)發(fa)展(zhan)也(ye)會(hui)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)由(you)不(bu)斷(duan)創(chuang)新(xin)的(de)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)驅(qu)動(dong)。傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)可(ke)檢(jian)測(ce)車(che)輛(liang)及(ji)其(qi)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)，因(yin)此(ci)具(ju)有(you)特(te)殊(shu)意(yi)義(yi)。有(you)多(duo)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)可(ke)用(yong)於(yu)此(ci)類(lei)目(mu)的(de)，例(li)如(ru)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)、溫wen度du傳chuan感gan器qi或huo轉zhuan矩ju傳chuan感gan器qi等deng。磁ci場chang測ce量liang傳chuan感gan器qi在zai汽qi車che內nei尤you其qi常chang見jian
，主zhu要yao用yong於yu機ji械xie變bian量liang的de非fei接jie觸chu式shi檢jian測ce。通tong常chang這zhe種zhong傳chuan感gan器qi通tong過guo霍huo爾er元yuan件jian，或huo者zhe基ji於yu各ge向xiang異yi性xing磁ci阻zu (AMR) 效應實現。與使用霍爾效應的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優點，例如抖動更少
、靈ling敏min度du更geng高gao。但dan在zai提ti高gao準zhun確que性xing或huo降jiang低di整zheng體ti係xi統tong成cheng本ben方fang麵mian，二er者zhe不bu分fen伯bo仲zhong。除chu了le在zai電dian子zi羅luo盤pan中zhong利li用yong磁ci阻zu傳chuan感gan器qi測ce量liang地di球qiu磁ci場chang之zhi外wai，尤you其qi是shi借jie助zhu磁ci場chang指zhi示shi機ji械xie係xi統tong的de運yun動dong和he位wei置zhi時shi，可ke使shi用yong磁ci阻zu傳chuan感gan器qi確que定ding角jiao度du和he速su度du。防fang滑hua係xi統tong、引(yin)擎(qing)和(he)傳(chuan)送(song)控(kong)製(zhi)都(dou)需(xu)要(yao)這(zhe)種(zhong)數(shu)據(ju)。產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)的(de)永(yong)磁(ci)體(ti)的(de)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)和(he)選(xuan)擇(ze)會(hui)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)的(de)獲(huo)取(qu)。因(yin)此(ci)，在(zai)部(bu)署(shu)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)之(zhi)前(qian)使(shi)用(yong)仿(fang)真(zhen)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)深(shen)入(ru)分(fen)析(xi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)
，以(yi)確(que)保(bao)達(da)到(dao)目(mu)標(biao)功(gong)能(neng)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。因(yin)此(ci)，在(zai)前(qian)期(qi)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)建(jian)立(li)係(xi)統(tong)模(mo)型(xing)
，之(zhi)後(hou)用(yong)於(yu)支(zhi)持(chi)後(hou)續(xu)產(chan)品(pin)的(de)開(kai)發(fa)，對(dui)於(yu)解(jie)決(jue)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)這(zhe)類(lei)問(wen)題(ti)也(ye)能(neng)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。下(xia)文(wen)將(jiang)探(tan)討(tao)新(xin)型(xing)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)建(jian)模(mo)和(he)仿(fang)真(zhen)。
信號檢測

現代傳感器係統主要由兩個元件組成 —基本傳感器和信號處理專用集成電路 (ASIC)(圖 1)。現已證明
，後來由 Lord Klevin 於 1857 年nian發fa現xian的de各ge向xiang異yi性xing磁ci阻zu效xiao應ying特te別bie適shi用yong於yu檢jian測ce磁ci場chang。首shou先xian考kao慮lv通tong常chang具ju有you多duo種zhong磁ci疇chou結jie構gou的de鐵tie磁ci性xing材cai料liao。這zhe些xie稱cheng之zhi為wei韋wei斯si磁ci疇chou的de結jie構gou
，其qi內nei部bu磁ci化hua的de方fang向xiang彼bi此ci不bu同tong。如ru果guo將jiang這zhe種zhong材cai料liao平ping鋪pu為wei一yi薄bo層ceng，那na麼me磁ci化hua矢shi量liang處chu於yu材cai料liao層ceng平ping麵mian方fang向xiang。另ling外wai，可ke較jiao精jing確que地di假jia設she隻zhi存cun在zai一yi個ge磁ci疇chou。當dang這zhe種zhong元yuan件jian暴bao露lu於yu外wai部bu磁ci場chang中zhong時shi
，後hou者zhe會hui改gai變bian內nei部bu磁ci化hua矢shi量liang的de方fang向xiang。如ru果guo同tong時shi一yi股gu電dian流liu通tong過guo該gai元yuan件jian，就jiu會hui產chan生sheng電dian阻zu(圖 2)
，zhequjueyudianliuhecihuazhijiandejiaodu。dangdianliuhecihuafangxiangbicichengzhijiaoshi，dianzuzuixiao，dangerzhepingxingshi，dianzuzuida。dianzubianhuadedaxiaoqujueyucailiao。tiecixingcailiaodexingzhiyejuedingduiwendudeyilaixing。dianzuzuidabianhuawei 2.2% 並且對溫度變化反應良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器係統中的基本傳感器都采用這種強磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨配置幾個 AMR 電阻，以增強輸出信號並改善溫度反應特性。此電路也可在製造過程中進行微調。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。
[page]
確定速度的裝置多半由兩個組件組成：編碼器輪和傳感器係統。編碼器輪可以是主動式或被動式。主動輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測北極和南極之間的變化。如果是被動輪，則由一種齒狀結構代替磁化。如圖 1 suoshi
，chuanganqitoushangyebixuyouyikuaiyongyuchanshengcichangdeyongciti。jiexialai，womenzhitaolunyingongchajixiaoerzhuchengdebeidongbianmaqilun。dangchuanganqiduichengdimianduiyigechihuozhebeidonglunliangchizhijiandekongxishi，zhebuhuishi AMR 元yuan件jian的de磁ci化hua矢shi量liang產chan生sheng任ren何he偏pian斜xie。忽hu略lve外wai部bu噪zao聲sheng場chang並bing考kao慮lv橋qiao電dian路lu時shi，輸shu出chu信xin號hao獲huo得de零ling值zhi。然ran而er
，如ru果guo傳chuan感gan器qi頭tou處chu於yu齒chi邊bian緣yuan前qian麵mian

，則ze磁ci輸shu入ru信xin號hao達da到dao極ji值zhi。齒chi/空隙或空隙/齒切換類型的函數結果與磁輸入信號正弦曲線的最小值或最大值非常接近。

信號處理

為了確定速度

，將磁輸入信號編碼處理為電脈衝序列，而且通常通過 7/14 mA 協(xie)議(yi)傳(chuan)送(song)。在(zai)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，可(ke)使(shi)用(yong)比(bi)較(jiao)器(qi)產(chan)生(sheng)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)。通(tong)常(chang)會(hui)向(xiang)比(bi)較(jiao)器(qi)電(dian)路(lu)添(tian)加(jia)磁(ci)滯(zhi)以(yi)消(xiao)除(chu)低(di)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。然(ran)而(er)
，這(zhe)種(zhong)施(shi)密(mi)特(te)觸(chu)發(fa)器(qi)在(zai)噪(zao)聲(sheng)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)不(bu)能(neng)確(que)保(bao)其(qi)功(gong)能(neng)性(xing)。例(li)如(ru)，傳(chuan)感(gan)器(qi)頭(tou)和(he)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)之(zhi)間(jian)空(kong)隙(xi)出(chu)現(xian)顯(xian)著(zhu)波(bo)動(dong)會(hui)導(dao)致(zhi)磁(ci)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)振(zhen)幅(fu)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)。如(ru)果(guo)振(zhen)幅(fu)變(bian)得(de)很(hen)小(xiao)
，甚(shen)至(zhi)不(bu)再(zai)超(chao)過(guo)或(huo)低(di)於(yu)磁(ci)滯(zhi)臨(lin)界(jie)值(zhi)
，則(ze)不(bu)管(guan)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)的(de)位(wei)置(zhi)如(ru)何(he)，輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)都(dou)保(bao)持(chi)其(qi)有(you)效(xiao)工(gong)作(zuo)時(shi)的(de)最(zui)後(hou)狀(zhuang)態(tai)。在(zai)檢(jian)測(ce) ABS 係統中的轉速時


，傳感器和編碼器輪之間的距離可能會出現這種變化。當存在負載變化(例如突然轉向動作)，hengxiangzuoyongyulunshangdelixinlihuizailunzhoushangchanshengwanquliju。zhejianggaibiananzhuangzaiyuchuanganqixiangguandezhoushangdebianmaqilundeweizhi，zhexiechuanganqishiyulunxuanjiaxiangjiehede。

磁ci位wei移yi也ye會hui影ying響xiang係xi統tong的de正zheng常chang運yun轉zhuan。例li如ru，噪zao聲sheng場chang可ke使shi實shi際ji測ce量liang信xin號hao加jia強qiang或huo減jian弱ruo，致zhi使shi施shi密mi特te觸chu發fa器qi的de臨lin界jie值zhi被bei高gao估gu或huo低di估gu。然ran而er，位wei移yi不bu僅jin是shi由you外wai部bu場chang引yin起qi的de。被bei動dong輪lun極ji高gao的de速su度du可ke使shi輪lun中zhong產chan生sheng渦wo流liu，而er這zhe又you會hui產chan生sheng磁ci噪zao聲sheng場chang。所suo產chan生sheng的de位wei移yi會hui影ying響xiang操cao作zuo的de可ke靠kao性xing。

為消除此噪聲對輸出信號的影響
，另一封裝中裝入了信號處理專用集成電路(ASIC)。後者也包含一個線路驅動器，以便為信號處理和高電壓接口提供電源電壓(圖 1)。圖 4 所示為信號處理架構。用於故障排除的中心元件為包括調式放大器、偏(pian)移(yi)抵(di)消(xiao)電(dian)路(lu)和(he)智(zhi)能(neng)比(bi)較(jiao)器(qi)。根(gen)據(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)編(bian)碼(ma)器(qi)輪(lun)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)，可(ke)調(tiao)式(shi)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)以(yi)與(yu)信(xin)號(hao)級(ji)匹(pi)配(pei)。對(dui)於(yu)偏(pian)移(yi)抵(di)消(xiao)電(dian)路(lu)，有(you)一(yi)種(zhong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)(與高通濾波器不同)可消除偏移，同時將係統頻率保持為 0?Hz。否則，就不可能檢測到停止不動的編碼器輪。智能比較器的臨界值是可變的，並且可設置，使磁滯處於信號振幅的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑製噪聲，而且振幅突降達 50% 也ye不bu會hui影ying響xiang係xi統tong的de正zheng常chang運yun轉zhuan。模mo擬ni前qian端duan的de個ge別bie組zu件jian控kong製zhi則ze通tong過guo數shu字zi接jie口kou實shi現xian。所suo述shu係xi統tong均jun利li用yong仿fang真zhen技ji術shu開kai發fa和he驗yan證zheng。下xia文wen將jiang概gai略lve介jie紹shao係xi統tong開kai發fa，同tong時shi闡chan述shu如ru何he使shi用yong模mo型xing來lai改gai進jin設she計ji。
 
 [page]
[page]
係統仿真

要yao開kai發fa傳chuan感gan器qi係xi統tong，首shou先xian必bi須xu對dui預yu期qi的de磁ci輸shu入ru信xin號hao有you一yi個ge總zong體ti了le解jie。首shou先xian要yao了le解jie編bian碼ma器qi輪lun和he傳chuan感gan器qi頭tou上shang永yong磁ci體ti的de標biao準zhun規gui格ge，以yi及ji預yu期qi尺chi寸cun和he公gong差cha。通tong過guo ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場。這裏就有對編碼器輪
、傳感器元件和磁體進行建模的問題(圖 5)。然後便可根據傳感器元件和編碼器輪之間的距離，確定與之呈函數關係的磁場強度。圖 6 shichuanganqiqiaoshangdecishuruxinhaoyujulichenghanshuguanxidesanweitushi。henrongyikanchushuruxinhaochengzhengxianquxian，xinhaozhenfusuijulizengjiaermingxianjianxiao。chulejulizhiwai
，weizhipianliyehuidaozhizhenfujianxiao。liru，ruguochuanganqitoubuzaibianmaqilunqianmiandezhongxinweizhi
，namexinhaozhenfuyehuijianxiao。genju FEM仿真方法
，這樣也可將機械規範轉化成預期磁變量。與氣隙變化不同
，傾斜會導致偏移，這同樣會影響係統的正常運轉。FEM 仿真也可以預估其造成的影響(圖 7)，而且結果可直接轉化為可容許的位置公差。

確定磁場之後是傳感器係統仿真。AMR 元yuan件jian的de電dian阻zu變bian化hua是shi各ge向xiang異yi性xing磁ci阻zu效xiao應ying的de直zhi接jie結jie果guo。這zhe樣yang
，磁ci場chang仿fang真zhen的de結jie果guo會hui導dao致zhi代dai表biao信xin號hao處chu理li中zhong輸shu入ru信xin號hao的de電dian阻zu發fa生sheng變bian化hua。對dui模mo擬ni前qian端duan進jin行xing建jian模mo可ke采cai用yong Simulink。這種行為模型是概念設計的產物，標誌著產品開發的起點。每個 Simulink 塊對應一個模擬信號處理組件
，例如放大器或過濾器。但是，尚未考慮模擬組件的控製部分，這由數字係統實現。HDL 設計則仿真通過數字方法實現的功能，而且在完成產品開發之後就會最終成形。因此，整體係統仿真是 Simulink 對模擬組件的行為模型以及 ModelSim 對 HDL 設計的共同仿真(圖8)。可通過仿真從概念階段順利過渡到 HDL 設計及後續階段。在共同仿真中
，可用 ModelSim 中部署的 Verilog 代碼逐漸代替 Simulink 參考模型，從而可逐項驗證 HDL 設計。可持續進行此過程
，直到在 Verilog 中實現整個數字部件
，而模擬係統部件仍保持為 Simulink 模型。此工具組合也已證明對 IC 評估同樣有用。自始至終使用這種工具可以更容易理解 IC 行為，並可創建用來分析和解釋任何錯誤的框架。這些工具的主要好處在於，能夠更快速

、更準確地答複客戶的查詢，以及更好地了解與環境條件相關的傳感器功能。

[page]
結論

通過此項建模，可以分析與輸入信號呈函數關係的係統行為。圖 9 中的第一張圖表顯示通過改變傳感器和編碼器輪之間的距離而產生的磁輸入信號。此信號是有限元件仿真結果

，之後 AMR 效應可將此信號轉化成傳感器橋的電輸出信號。中間的圖表是模擬信號處理的結果。下麵一張圖表顯示輸出信號。此器件使用 A 7/14/28 mA 協議。這種協議可用來傳送額外信息，例如感測旋轉或氣隙長度。除了這些結果之外，也可以檢查數字控製的運行情況。圖 10 顯示的是 ModelSim 中的信號圖象實例。

通過MATLAB 進行仿真控製並結合其他仿真器可創造更多選擇。首先

，例如可使模擬自動化。然後可以使用大量算法在 MATLAB 中進行信號仿真。例如
，對所需係統和信號參數進行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨後進行自動化分析。通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴展所仿真的係統組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關編碼器，從而將係統視圖擴展到傳感器周圍直接相關的區域。圖 11 顯示的是用於此目的的整個工具鏈。
 
總結

許多汽車應用中都采用基於 AMR 效(xiao)應(ying)的(de)現(xian)代(dai)智(zhi)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)。對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)要(yao)求(qiu)自(zi)然(ran)會(hui)因(yin)應(ying)用(yong)而(er)異(yi)。在(zai)部(bu)署(shu)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)之(zhi)前(qian)先(xian)進(jin)行(xing)係(xi)統(tong)仿(fang)真(zhen)可(ke)確(que)保(bao)各(ge)項(xiang)功(gong)能(neng)符(fu)合(he)規(gui)範(fan)。假(jia)設(she)發(fa)現(xian)磁(ci)變(bian)量(liang)、機(ji)械(xie)變(bian)量(liang)和(he)電(dian)變(bian)量(liang)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)複(fu)雜(za)的(de)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang)
，隻(zhi)用(yong)一(yi)件(jian)簡(jian)單(dan)的(de)仿(fang)真(zhen)工(gong)具(ju)不(bu)能(neng)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)。此(ci)時(shi)需(xu)要(yao)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)工(gong)具(ju)，每(mei)件(jian)工(gong)具(ju)都(dou)是(shi)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)任(ren)務(wu)的(de)最(zui)佳(jia)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。因(yin)此(ci)使(shi)用(yong)磁(ci)場(chang)仿(fang)真(zhen)器(qi)來(lai)確(que)定(ding)磁(ci)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)，同(tong)時(shi)Simulink對模擬輸入進行仿真。HDL設(she)計(ji)之(zhi)後(hou)對(dui)模(mo)擬(ni)部(bu)件(jian)進(jin)行(xing)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)仿(fang)真(zhen)。最(zui)終(zhong)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)全(quan)麵(mian)仿(fang)真(zhen)。建(jian)模(mo)已(yi)成(cheng)為(wei)預(yu)開(kai)發(fa)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)
，並(bing)隨(sui)著(zhe)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)的(de)進(jin)程(cheng)不(bu)斷(duan)優(you)化(hua)改(gai)進(jin)。最(zui)後(hou)就(jiu)會(hui)得(de)到(dao)經(jing)過(guo)驗(yan)證(zheng)確(que)認(ren)符(fu)合(he)產(chan)品(pin)規(gui)範(fan)的(de)設(she)計(ji)，以(yi)及(ji)可(ke)用(yong)來(lai)解(jie)決(jue)後(hou)續(xu)問(wen)題(ti)的(de)模(mo)型(xing)，作(zuo)為(wei)市(shi)場(chang)支(zhi)持(chi)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。