磁阻角度与线性位置测量系统设计方案

磁阻角度与线性位置测量系统经常会被应用到电机的控制上，应用十分广泛。下文就给出了该种测量系统的设计方案。包括硬件选型，软件仿真与测试结果。

电路功能与优势

图1所示紧凑型双芯片电路提供非接触式各向异性磁阻(AMR)测量解决方案，可用于角度或线性位置测量。该双芯片系统在180°范围内具有优于0.2°的角精度，在0.5英寸范围内具有2 mil(0.002英寸)线性精度，具体取决于所用磁体的尺寸。

该电路适用于高速、高精度、非接触式角度和长度测量关键型应用，比如机床速度控制、起重机角度控制、无刷直流电机和其他工业或汽车应用。

图1.磁阻角度和线性检测系统(原理示意图：未显示去耦和所有连接)

电路描述

ADA4571是一款各向异性磁阻(AMR)传感器，集成信号调理放大器和ADC驱动器，以及用于温度补偿的温度传感器。

ADA4571产生两路模拟输出，指示周围磁场的角位置。

ADA4571集成一个AMR传感器和一个固定增益(标称值G = 40)仪表放大器。ADA4571可提供有关旋转磁场角度的干净且经过放大的余弦和正弦输出信号。T输出电压范围与电源电压成比例。

传感器含有两个互成45°角的透磁合金惠斯登电桥。x-y传感器平面的旋转磁场提供两路正弦输出信号，且传感器与磁场方向的角度(α)频率翻倍。在x-y平面的均质场内，输出信号与z方向(气隙)的物理位置无关。

正弦和余弦输出端的输出电压摆幅范围为7% VDD至93% VDD.有两个诊断频段(VDD的0%至7%和VDD的93%至100%)，因而可向所有内部连接提供焊线断开检测。

ADA4571采用8引脚SOIC封装。

VSIN和VCOS输出的输出阻抗为50Ω，采用外部10 nF电容时组成318 kHz噪声滤波器。

AD7866是一款双通道、同步采样、12位、1 MSPS SAR ADC.RANGE引脚的极性确定模拟输入范围和输出编码。如果片选信号变为低电平时该引脚连接逻辑高电平，则下次转换的模拟输入范围为0 V至2×VREF(0 V至5 V)，为ADA4571 AMR传感器的0.35 V至4.65 V信号提供大约350 mV裕量。

将REFSEL引脚连接至低电平可配置ADC使用内部2.5 V基准电压源。VREF引脚提供该电压，但将其用于系统的其他位置前必须先使用缓冲器。DCAPA引脚和DCAPB引脚采用470 nF电容去耦，确保ADC正常工作。

AD7866同步采样传感器的两个通道。数字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每个数据流包括1个前导零，随后是3个状态位，再加上12位转换数据。然而，保持CS引脚为低电平并持续额外16个时钟周期，则两个数字字均可从一个通道(DOUTA)获取。因此，SPI接口允许在一条数据线路上访问两个通道。

AD7866的两个ADC输入均带有双通道多路复用器。A0输入引脚上的逻辑0允许A1和A2输入端转换，而A0输入引脚上的逻辑1允许B1和B2输入端转换。ADA4571的温度传感器输出连接AD7866的B1输入，并允许对系统进行软件温度校准。

磁阻(MR)理论

磁阻是存在外部磁场时，材料改变其电阻值的能力。最常用的MR传感器基于AMR技术。

图2.各向异性磁阻示例

AMR效应示例如图2所示。电流(I)流过导体，受外部磁场(HY)影响。导体电阻的变化与磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度成函数关系。磁化矢量是内部磁场(HX)与施加的外部磁场(HY)的净求和结果。

当磁化矢量(M)与电流矢量(I)平行时，具有最大电阻。当磁化矢量(M)与电流矢量(I)垂直时，具有最小电阻。

有效利用AMR效应要求导体自身必须对机械应力材料不敏感，但对磁约束敏感。由于这些原因，透磁合金(80%镍，20%铁)是AMR传感器制造中最常用的合金。

透磁合金属性

透磁合金条有两个属性，创建角度测量系统时会具有设计挑战性。

首先，透磁合金具有较窄的线性工作区(见图3)。仅当磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度变大时，响应才是线性的。不幸的是，线性响应不久后透磁合金就会饱和。

图3.透磁合金电阻与磁场的关系

其次，透磁合金对极性不敏感。无论磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度是正或负，透磁合金条的电阻都将下降。

双色条磁极

改善透磁合金条线性度和磁极非敏感特性的常用方法是与金属条的轴向成45°添加铝条(称为双色条磁极，如图4所示)。双色条磁极间流动的任何电流都将走最短的路径——垂直路径，并且电流矢量(I)和磁化矢量(M)之间的角度偏移45°。

图4.透磁合金条的双色条磁极效应

图5显示向透磁合金条中加入双色条磁极后的结果。电流矢量偏移45，但磁化矢量保持不变。注意，线性特性现在存在于图形的中央部分。

图5.双色条磁极透磁合金电阻与磁场的关系

磁场强度

磁场强度至少为25 kA/m，才能确保满足ADA4571数据手册中的规格。该激励磁场必须与ADA4571封装内