磁阻效應(yīng)支持汽車(chē)內(nèi)的多種傳感器應(yīng)用。磁阻傳感器主要用來(lái)測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機(jī)械元件所組成的復(fù)雜系統(tǒng)的一部分。因?yàn)樗性紩?huì)影響系統(tǒng)的反應(yīng)，所以在規(guī)劃系統(tǒng)及其操作時(shí)要非常重視對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真。下面重點(diǎn)討論這種系統(tǒng)的建模和仿真。
電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)汽車(chē)的發(fā)展具有決定性的促進(jìn)作用。未來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展也會(huì)在很大程度上由不斷創(chuàng)新的電子元件驅(qū)動(dòng)。傳感器技術(shù)可檢測(cè)車(chē)輛及其周?chē)h(huán)境條件，因此具有特殊意義。有多種傳感器系統(tǒng)可用于此類(lèi)目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉(zhuǎn)矩傳感器等。磁場(chǎng)測(cè)量傳感器在汽車(chē)內(nèi)尤其常見(jiàn)，主要用于機(jī)械變量的非接觸式檢測(cè)。通常這種傳感器通過(guò)霍爾元件，或者基于各向異性磁阻 (AMR) 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。與使用霍爾效應(yīng)的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，例如抖動(dòng)更少、靈敏度更高。但在提高準(zhǔn)確性或降低整體系統(tǒng)成本方面，二者不分伯仲。除了在電子羅盤(pán)中利用磁阻傳感器測(cè)量地球磁場(chǎng)之外，尤其是借助磁場(chǎng)指示機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和位置時(shí)，可使用磁阻傳感器確定角度和速度。防滑系統(tǒng)、引擎和傳送控制都需要這種數(shù)據(jù)。產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體的機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇會(huì)在很大程度上影響測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取。因此，在部署整個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)程中建立系統(tǒng)模型，之后用于支持后續(xù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，對(duì)于解決設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的這類(lèi)問(wèn)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(gè)封裝
圖 2 各向異性磁阻效應(yīng)
信號(hào)檢測(cè)
現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)主要由兩個(gè)元件組成 —基本傳感器和信號(hào)處理專(zhuān)用集成電路 (ASIC)(圖 1)?，F(xiàn)已證明，后來(lái)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(cè)磁場(chǎng)。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(chēng)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(gè)磁疇。當(dāng)這種元件暴露于外部磁場(chǎng)中時(shí)，后者會(huì)改變內(nèi)部磁化矢量的方向。如果同時(shí)一股電流通過(guò)該元件，就會(huì)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(shí)，電阻最小，當(dāng)二者平行時(shí)，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(duì)溫度的依賴(lài)性。電阻最大變化為 2.2% 并且對(duì)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(gè) AMR 電阻，以增強(qiáng)輸出信號(hào)并改善溫度反應(yīng)特性。此電路也可在制造過(guò)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(gè)組件組成：編碼器輪和傳感器系統(tǒng)。編碼器輪可以是主動(dòng)式或被動(dòng)式。主動(dòng)輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測(cè)北極和南極之間的變化。如果是被動(dòng)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(chǎng)的永磁體。接下來(lái)，我們只討論因公差極小而著稱(chēng)的被動(dòng)編碼器輪。當(dāng)傳感器對(duì)稱(chēng)地面對(duì)一個(gè)齒或者被動(dòng)輪兩齒之間的空隙時(shí)，這不會(huì)使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。忽略外部噪聲場(chǎng)并考慮橋電路時(shí)，輸出信號(hào)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(hào)達(dá)到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類(lèi)型的函數(shù)結(jié)果與磁輸入信號(hào)正弦曲線(xiàn)的最小值或最大值非常接近。
