用于汽車傳動系統(tǒng)的高度集成磁場傳感器

簡介

現(xiàn)在的汽車要同時保證行車安全、操控便捷以及控制尾氣排放，油門踏板傳感器、節(jié)氣門、可變氣門驅(qū)動和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都離不開角位傳感器。隨著新排放法規(guī)不斷出現(xiàn)以及能源成本日益增加，現(xiàn)有傳動概念已無法滿足要求，提高汽車效率已成為業(yè)界關(guān)注的焦點，而傳感器在這一領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。

提高效率，傳感器必須滿足更嚴格的要求?；诋愊蛐源抛?AMR)效應(yīng)的智能磁場傳感器是這類應(yīng)用的最佳選擇。該傳感器系統(tǒng)為機械部件的角位測量提供了一套非接觸、無磨損解決方案。除具有出色的大溫差工作范圍外，AMR傳感器的耐用性和穩(wěn)定性優(yōu)勢也非常明顯?？傮w而言，AMR傳感器完全滿足汽車應(yīng)用的高品質(zhì)、長壽命和耐用要求。

新型KMA210傳感器系統(tǒng)(圖1)采用創(chuàng)新模塊設(shè)計，除傳感器本身和相關(guān)信號處理單元外，所有輔助器件全部集成在單一設(shè)備中，無需引入外部器件和電路板。模塊可直接安裝，完全滿足普通EMC(電磁兼容)要求。因此，系統(tǒng)總成本得到了大幅消減。另外，與之前產(chǎn)品相比，測量準確性也得到了進一步提升。例如，KMA210傳感器在40～+160℃溫度范圍內(nèi)的線性誤差為±1.0℃，溫度漂移誤差0.4度(2s℃參考溫度)。

通過增加綜合診斷和16V過壓保護等功能，系統(tǒng)整體耐用性得到了顯著加強。因此，KMA210完全滿足汽車行業(yè)日益提高的要求。

傳感器系統(tǒng)

現(xiàn)代AMR傳感器系統(tǒng)主要包括兩部分：基本傳感器和信號處理ASIC單元。異向性磁阻效應(yīng)是已故凱爾文爵士在1857年首先提出的理論，該效應(yīng)理論非常適合磁場檢測。磁場由多個離散磁疇構(gòu)成的鐵磁性材料產(chǎn)生。這些磁疇也稱為外斯磁疇，具有不同的磁化方向。如果將鐵磁材料制成超薄層，則磁化矢量可以控制在薄層范圍內(nèi)。也就是說?？梢越普J為只有一個唯一的磁疇。如果該元件受到外部磁場影響，則其內(nèi)部的磁化矢量方向?qū)淖?。電流通過此元件時，電阻取決于電流與磁化的方向夾角。電流與磁化方向相互垂直時電阻最小，平行時最大。電阻變化幅度取決于材料。不過，鐵磁性材料的類型也會對溫度特性產(chǎn)生影響。由8I％的鎳和19％的鐵組成的合金具有最大電阻變化范圍(2.2％)和最佳溫度特性。為了最大程度放大輸出信號、改善溫度特性，AMR電阻器通常采用惠斯通橋配置。AMR角度傳感器由兩個電阻橋采用45度夾角交錯布置。常規(guī)測量結(jié)構(gòu)詳見圖3、圖4給出了管芯中兩個電阻橋的布置形式(傳感器A和B)。

角度測量首先要計算電阻橋A和B之間的輸出信號比，然后，再用反正切函數(shù)直接計算角度。恩智浦角度測量智能傳感器系統(tǒng)的配置形式詳見圖5。兩個AMR電阻橋的輸出信號均經(jīng)過了放大和數(shù)字化處理。角度計算本身通過數(shù)字邏輯單元執(zhí)行。輸出的角度測量結(jié)果可以是數(shù)字或模擬格式，主要取決于器件類型。恩智浦傳感器系統(tǒng)完全滿足汽車領(lǐng)域的應(yīng)用需求，不僅適合40～160℃工作溫度范圍。還能對所有引腳提供最高26V的超壓保護。奠他特點包括自診斷、模擬／數(shù)字接口、溫度監(jiān)控和用戶編程。

KMA210傳感器采用的設(shè)計原理如圖5所示。圖6給出了該傳感器的示意圖，通過集成阻塞電容器和輸出電容器，無需安裝外部器件。與現(xiàn)有的智能傳感器相比，KMA210無論測量精度和EMC性能都有顯著提升。信號處理ASIC單元采用了SOI 140nmABCD9 CMOS工藝制造，不僅EMC性能更加出色，同時還能滿足高壓和低功耗要求。

應(yīng)用

要用AMR傳感器準確測量磁場角度，磁場強度必須能使磁阻玻莫合金的磁化方向與外部磁場方向相同。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，KMA210傳感器的最小磁場強度要求為35kA／m。如果低于這一限值，則由于外部磁場強度的作用會出現(xiàn)角度偏差，詳見圖7。顯而易見，隨著磁場強度減弱，角度偏差逐步增大。圖8給出了不同磁場強度下的最大預(yù)計角度誤差。因此，優(yōu)化磁鐵幾何形狀的主要任務(wù)就是最大程度提高傳感器部分的磁場強度。磁鐵越大，磁場越強。不過，增大磁鐵相應(yīng)會增加成本。由于磁鐵成本直接受稀土材料的用量影響，所以必須對給定體積的磁鐵進行尺寸優(yōu)化。為此，可采用有限元法(FEM)對不同大小的永磁鐵進行磁場強度模擬計算。圖9給出了傳感器元件處的磁場強度模擬計算結(jié)果(傳感器與永磁鐵空氣間隙2mm，磁鐵體積250mm3)。由圖中可以看出，磁鐵大小為4.5×11×5mm。(下劃線數(shù)字為磁化方向)時，SaCo磁鐵的磁場強度達到最大值：100kA／m。

角度測量系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)偏差是影響測量結(jié)果的另一個原因。增大永磁鐵和傳感器之間的空氣間隙會減弱磁場。但是，只要磁場強度大于規(guī)定的飽和磁場強度，則對角度測量結(jié)果影響會非常小。由于機械公差原因，偏心誤差(即：轉(zhuǎn)軸誤差)是造成角度測量偏差的主要原因。為此，必須區(qū)別對待轉(zhuǎn)軸的磁鐵偏心與傳感器偏心這兩種情況。

由于機械公差原因，為了計算角度誤差還需要進一步對模擬模型再優(yōu)化。兩個惠斯通電橋共有8個電阻，我們分別對每一個電阻的有限元模擬所產(chǎn)生的磁場矢量和磁場強度進行了研究(參見圖4)。圖11給出了0.5mm磁鐵偏心的角度誤差。圖中的點劃線表示相同磁場強度條件下理想均勻磁場的預(yù)計誤差。從圖中可以看出，最大角度誤差從0.004。增加到0.0055，偏心沒有太大影響。圖12顯示的是0.5mm傳感器偏心的預(yù)計度誤差。為便于比較，均勻磁場的角度誤差同樣以點劃線表示。這種情況下的角度誤差預(yù)計約為0.15。其他的模擬結(jié)果也表明，增加磁鐵寬度而保持長度不變(磁化方向)可以減少角度誤差，而增加長度對結(jié)果幾乎沒有影響。通過圖9可以清楚地看出其中原因。增加磁鐵寬度同時減小高度只會略微降低磁場強度，卻可以改善傳感器的磁場均勻性。相反地，如果增加磁鐵長度將會大幅降低磁場強度，且無法改善磁場的均勻性。

結(jié)論

使用磁阻傳感器可以實現(xiàn)高效磁角度測量，因為磁阻效應(yīng)本身就是一種角度效應(yīng)。本文主要介紹了由傳感器和相關(guān)信號處理ASIC單元組成的角度測量系統(tǒng)。在很多實際應(yīng)用中，這類傳感器通常與永磁鐵配套使用。通過模擬演示可以優(yōu)化特定體積大小的磁鐵尺寸。相對于機械公差，磁鐵的偏心誤差可以忽略不計。同樣，只要磁鐵有合理的尺寸設(shè)計，傳感器的轉(zhuǎn)軸偏心誤差對角度誤差的影響微乎其微?？傮w來看，磁阻傳感器是很多應(yīng)用的理想選擇。