產(chǎn)生磁場的永磁體的機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇會在很大程度上影響測量數(shù)據(jù)的獲取,。因此，在部署整個系統(tǒng)之前使用仿真技術(shù)進(jìn)行深入分析非常重要,，以確保達(dá)到目標(biāo)功能并降低成本,。因此，在前期開發(fā)過程中建立系統(tǒng)模型,，之后用于支持后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā),，對于解決設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的這類問題也能發(fā)揮重要作用。下文將探討新型速度傳感器的整體系統(tǒng)建模和仿真,。

圖1 AMR 傳感器系統(tǒng)包含兩個封裝

圖2 各向異性磁阻效應(yīng)

　　信號檢測

　　現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)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)?，F(xiàn)已證明，后來由 Lord Klevin 于 1857 年發(fā)現(xiàn)的各向異性磁阻效應(yīng)特別適用于檢測磁場,。首先考慮通常具有多種磁疇結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料,。這些稱之為韋斯磁疇的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部磁化的方向彼此不同。如果將這種材料平鋪為一薄層,，那么磁化矢量處于材料層平面方向,。另外，可較精確地假設(shè)只存在一個磁疇,。當(dāng)這種元件暴露于外部磁場中時,，后者會改變內(nèi)部磁化矢量的方向。如果同時一股電流通過該元件,，就會產(chǎn)生電阻(圖 2),，這取決于電流和磁化之間的角度。當(dāng)電流和磁化方向彼此成直角時,，電阻最小,，當(dāng)二者平行時，電阻最大,。電阻變化的大小取決于材料,。鐵磁性材料的性質(zhì)也決定對溫度的依賴性。電阻最大變化為 2.2% 并且對溫度變化反應(yīng)良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金,。恩智浦所有傳感器系統(tǒng)中的基本傳感器都采用這種強(qiáng)磁鐵鎳合金,。在惠斯登電橋電路中單獨(dú)配置幾個 AMR 電阻，以增強(qiáng)輸出信號并改善溫度反應(yīng)特性,。此電路也可在制造過程中進(jìn)行微調(diào),。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。

　　確定速度的裝置多半由兩個組件組成：編碼器輪和傳感器系統(tǒng),。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(jié)構(gòu)代替磁化。如圖 1 所示,，傳感器頭上也必須有一塊用于產(chǎn)生磁場的永磁體,。接下來，我們只討論因公差極小而著稱的被動編碼器輪,。當(dāng)傳感器對稱地面對一個齒或者被動輪兩齒之間的空隙時,，這不會使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。忽略外部噪聲場并考慮橋電路時,，輸出信號獲得零值。然而,，如果傳感器頭處于齒邊緣前面,，則磁輸入信號達(dá)到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類型的函數(shù)結(jié)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沖序列,，而且通常通過 7/14 mA 協(xié)議傳送。在最簡單的情況下,，可使用比較器產(chǎn)生脈沖序列,。通常會向比較器電路添加磁滯以消除低噪聲的影響。然而,，這種施密特觸發(fā)器在噪聲水平較高的條件下不能確保其功能性,。例如，傳感器頭和編碼器輪之間空隙出現(xiàn)顯著波動會導(dǎo)致磁輸入信號振幅發(fā)生波動,。如果振幅變得很小,，甚至不再超過或低于磁滯臨界值，則不管編碼器輪的位置如何,，輸出信號都保持其有效工作時的最后狀態(tài),。在檢測 ABS 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速時，傳感器和編碼器輪之間的距離可能會出現(xiàn)這種變化,。當(dāng)存在負(fù)載變化(例如突然轉(zhuǎn)向動作),，橫向作用于輪上的離心力會在輪軸上產(chǎn)生彎曲力矩。這將改變安裝在與傳感器相關(guān)的軸上的編碼器輪的位置,，這些傳感器是與輪懸架相結(jié)合的,。

　　磁位移也會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如,，噪聲場可使實(shí)際測量信號加強(qiáng)或減弱,，致使施密特觸發(fā)器的臨界值被高估或低估。然而,，位移不僅是由外部場引起的,。被動輪極高的速度可使輪中產(chǎn)生渦流，而這又會產(chǎn)生磁噪聲場,。所產(chǎn)生的位移會影響操作的可靠性,。

　　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),。后者也包含一個線路驅(qū)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(gòu),。用于故障排除的中心元件為包括調(diào)式放大器,、偏移抵消電路和智能比較器。根據(jù)傳感器和編碼器輪之間的距離,，可調(diào)式放大器可以與信號級匹配,。對于偏移抵消電路，有一種控制系統(tǒng)(與高通濾波器不同)可消除偏移，同時將系統(tǒng)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,，并且可設(shè)置,，使磁滯處于信號振幅的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑制噪聲,，而且振幅突降達(dá) 50% 也不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),。模擬前端的個別組件控制則通過數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。所述系統(tǒng)均利用仿真技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證,。下文將概略介紹系統(tǒng)開發(fā),，同時闡述如何使用模型來改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖3 裸片上的 AMR 元件配置

圖4 現(xiàn)代速度傳感器的信號處理原理

圖5 網(wǎng)格 — 磁場有限元模擬的起點(diǎn)

　　系統(tǒng)仿真

　　要開發(fā)傳感器系統(tǒng),，首先必須對預(yù)期的磁輸入信號有一個總體了解,。首先要了解編碼器輪和傳感器頭上永磁體的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，以及預(yù)期尺寸和公差,。通過 ANSYS 方法進(jìn)行 FEM 仿真可確定磁場,。這里就有對編碼器輪、傳感器元件和磁體進(jìn)行建模的問題(圖 5),。然后便可根據(jù)傳感器元件和編碼器輪之間的距離,，確定與之呈函數(shù)關(guān)系的磁場強(qiáng)度。圖 6 是傳感器橋上的磁輸入信號與距離呈函數(shù)關(guān)系的三維圖示,。很容易看出輸入信號呈正弦曲線,，信號振幅隨距離增加而明顯減小。除了距離之外,，位置偏離也會導(dǎo)致振幅減小,。例如，如果傳感器頭不在編碼器輪前面的中心位置,，那么信號振幅也會減小,。根據(jù) FEM仿真方法，這樣也可將機(jī)械規(guī)范轉(zhuǎn)化成預(yù)期磁變量,。與氣隙變化不同,，傾斜會導(dǎo)致偏移，這同樣會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),。FEM 仿真也可以預(yù)估其造成的影響(圖 7),，而且結(jié)果可直接轉(zhuǎn)化為可容許的位置公差。

　　確定磁場之后是傳感器系統(tǒng)仿真,。AMR 元件的電阻變化是各向異性磁阻效應(yīng)的直接結(jié)果,。這樣,，磁場仿真的結(jié)果會導(dǎo)致代表信號處理中輸入信號的電阻發(fā)生變化。對模擬前端進(jìn)行建?？刹捎?Simulink。這種行為模型是概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)物,，標(biāo)志著產(chǎn)品開發(fā)的起點(diǎn),。每個 Simulink 塊對應(yīng)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制部分，這由數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),。HDL 設(shè)計(jì)則仿真通過數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)的功能,，而且在完成產(chǎn)品開發(fā)之后就會最終成形。因此,，整體系統(tǒng)仿真是 Simulink 對模擬組件的行為模型以及 ModelSim 對 HDL 設(shè)計(jì)的共同仿真(圖8),。可通過仿真從概念階段順利過渡到 HDL 設(shè)計(jì)及后續(xù)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(xiàng)驗(yàn)證 HDL 設(shè)計(jì),?？沙掷m(xù)進(jìn)行此過程，直到在 Verilog 中實(shí)現(xiàn)整個數(shù)字部件,，而模擬系統(tǒng)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,，并可創(chuàng)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于，能夠更快速,、更準(zhǔn)確地答復(fù)客戶的查詢,，以及更好地了解與環(huán)境條件相關(guān)的傳感器功能。

圖6 與傳感器頭和編碼器輪間距離呈函數(shù)關(guān)系的磁輸入信號模擬

圖7 為確定可容許的位置公差而進(jìn)行的磁場計(jì)算

圖8 模擬前端和數(shù)字塊的共同仿真

　　結(jié)論

　　通過此項(xiàng)建模,，可以分析與輸入信號呈函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)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(chǎn)生的磁輸入信號。此信號是有限元件仿真結(jié)果,，之后 AMR 效應(yīng)可將此信號轉(zhuǎn)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(jié)果。下面一張圖表顯示輸出信號,。此器件使用 A 7/14/28 mA 協(xié)議,。這種協(xié)議可用來傳送額外信息,，例如感測旋轉(zhuǎn)或氣隙長度。除了這些結(jié)果之外,，也可以檢查數(shù)字控制的運(yùn)行情況,。圖 10 顯示的是 ModelSim 中的信號圖象實(shí)例。

　　通過MATLAB 進(jìn)行仿真控制并結(jié)合其他仿真器可創(chuàng)造更多選擇,。首先,，例如可使模擬自動化。然后可以使用大量算法在 MATLAB 中進(jìn)行信號仿真,。例如,，對所需系統(tǒng)和信號參數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨后進(jìn)行自動化分析,。通過 FEM 仿真器(例如 NASYS),，可以擴(kuò)展所仿真的系統(tǒng)組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關(guān)編碼器,，從而將系統(tǒng)視圖擴(kuò)展到傳感器周圍直接相關(guān)的區(qū)域,。圖 11 顯示的是用于此目的的整個工具鏈。

圖9 模擬結(jié)果：電輸出信號比對磁輸入信號

圖10 數(shù)字系統(tǒng)元件的仿真

圖11 完整的仿真鏈

　　總結(jié)

　　使用磁場仿真器來確定磁輸入信號,，同時Simulink對模擬輸入進(jìn)行仿真,。HDL設(shè)計(jì)之后對模擬部件進(jìn)行數(shù)字控制仿真。最終整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面仿真,。建模已成為預(yù)開發(fā)的一部分,，并隨著產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程不斷優(yōu)化改進(jìn)。最后就會得到經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)符合產(chǎn)品規(guī)范的設(shè)計(jì),，以及可用來解決后續(xù)問題的模型,，作為市場支持的一部分。