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汽车应用中磁阻传感器系统的建模和仿真 |
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摘要：传感器起着获取车辆数据及与周围环境交互的作用。与使用霍尔效应的方案相比，AMR传感器有许多优势，例如抖动更小和灵敏度更高，而这两种优点都会同等程度地提高测量精度或降低系统整体成本。由于所有部件都会影响系统响应的方式，所以对整个系统的仿真相当重要。本文以一种新型速度传感器为例介绍了整个系统的建模和仿真。
电子技术，尤其是传感器技术，作为获得汽车数据并与汽车周围环境相互作用的一种手段，对汽车的发展起到了决定性的作用。而磁阻效应就支持汽车中各种传感器应用。从三十年前首次在薄膜技术中使用开始，磁阻传感器在新的磁场测量应用领域中一直发挥着重要作用。
由传感器控制的系统作为汽车的一个重要组成部分，主要用于机械变量的无接触检测。此类传感器通常要么采用霍尔元件实现，要么基于各向异性磁阻(AMR)效应实现。AMR效应是凯尔文爵士在1857年发现的，事实证明该效应特别适合用来检测磁场。与使用霍尔效应的方案相比， AMR传感器有许多优势，例如抖动更小和灵敏度更高，而这两种优点都会同等程度地提高测量精度或降低系统整体成本。
汽车内的磁阻传感器的作用是确定角度和速度，其中磁场体现了一个机械系统的运动和位置情况。防滑系统以及引擎和传动控制都需要此类数据。由于所有部件都会影响系统响应的方式，所以对整个系统的仿真相当重要，特别是在规划和理解系统要求的阶段。下面以一种新型速度传感器为例介绍整个系统的建模和仿真。
信号检测
现代传感器系统基本上由两个部件组成，即一个基本传感器和一块信号处理ASIC(图1)。AMR效应通常出现在坡莫合金等含铁材料中。坡莫合金是81%镍和19%铁的合金，从20世纪初开始就一直被用作传感材料。图2是电流流过一块坡莫合金薄膜时的情形。在给坡莫合金外加磁场时，其阻抗变化正比于角度α 正弦值的平方。像坡莫合金这样的铁磁体材料都有磁化强度指标，它是材料中每一点上定义的一个向量值。外部磁场会使这个磁向量的指向从电流方向开始产生旋转，从而导致阻抗变化。阻抗变化的大小取决于坡莫合金的特性，在出现磁场时其阻抗会发生2%-3%的变化。恩智浦公司所有传感器系统中的基本传感器都是用这种坡莫合金实现的。
确定速度所需的装置中包含两个组件：编码器轮和传感器系统。编码器轮可以是有源的也可以是无源的。有源轮是磁化了的，磁阻传感器可检测其南北极之间的变化。无源轮则用一个齿形结构代替了磁化，这种无源编码器轮通常容差很小。当传感器正对无源轮的一个齿或两齿之间的空隙时，它不会产生AMR元件磁向量的偏转。此时若不考虑外部噪声场，则输出信号应为0。如果传感器面对的是齿边缘，那么磁输入信号就变成极值。作为改变齿/间隙或间隙/齿的类型的函数，一个较好的近似结果是正弦磁输入信号的最小值或最大值。
信号处理
为了确定速度，磁输入信号被编码为一个电脉冲序列，并通过一个7/14 mA协议发送出去。脉冲序列可以用一个比较器产生。为消除低电平噪声的影响，比较器电路中往往还要加磁滞电路。传感器头端和编码器轮之间的间隙大小如果出现了明显波动，将会导致磁输入信号的幅度产生波动。
磁偏也会危及系统的运行。噪声场所引起的真实测量信号的增大或减小，可能会达到导致施密特触发器的阈值只有一个或两个都被超出或欠载的程度。非常快速的无源轮会在轮中产生涡电流，从而引起磁噪声场。由此产生的磁偏会威胁到系统的可靠性。
为了消除这种噪声对输出信号的影响，在另一个封装中集成了一个信号处理ASIC。该封装中还有一个高压接口以及一个为信号处理提供电源电压的线路驱动器(图1) 。图4给出了信号处理的架构。消除故障的核心元件包括可调放大器、偏移抵消电路和智能比较器。可调放大器可以根据传感器与编码器轮之间的距离匹配信号电平。在偏移抵消电路中有一个控制系统，该系统能在消除偏移的同时保持系统的0Hz能力(以帮助检测编码器轮停滞情况)。智能比较器的阈值是可变的，可以通过设置将磁滞信号控制在信号幅度的20%到45%之间，从而确保足够的噪声抑制。以上描述的系统都是在仿真的支持下进行开发和验证的。
图3：裸片上的AMR元件配置
网格——磁场有限元仿真的起始点
系统仿真
要开发传感器系统，首先必须对预计的磁场输入信号有大致了解，这可以从编码器轮的规格、传感器头的永磁体以及预计的尺寸和公差入手。利用ANSYS进行FEM仿真可以确定磁场。编码器轮的位置、传感元件及磁体决定了磁场强度。图6给出了传感器桥上的磁输入信号与距离之间的函数关系。除了距离之外，位置上的偏差也会使输入信号幅度减小。根据FEM仿真结果可以将机械规格转换为预计的磁变量。FEM仿真也适用于估计这些变量的影响(图7)，而仿真结果可以直接转化为可接受的位置公差。
图6：作为传感器头和编码器轮之间距离函数的磁输入信号仿真
图7：通过场运算确定可接受的位置公差
确定了磁场之后，就可以进行传感器系统的仿真了。AMR效应的直接结果是AMR元件的阻抗变化。场仿真的结果说明代表信号处理部分输入信号的阻抗发生了改变。Simulink被用来建模模拟前端，每个Simulink模块都对应一个模拟信号处理元件，例如放大器或滤波器。HDL设计可以仿真以数字方式实现的功能，并且HDL设计在产品开发结束后就可以定型。最后，全系统的仿真其实是利用Simulink进行模拟元件的行为模型仿真与利用ModelSim进行HDL设计仿真的一种协同仿真(图8)。在协同仿真中，Simulink参考模型可以逐渐被已实现的ModelSim中的Verilog代码代替，然后就可以对HDL设计进行逐一验证。这个过程可持续到整个数字部分都用Verilog实现为止，而模拟系统部分仍做为一个Simulink模型。事实证明，这种工具组合方式在IC评估中也是很有用的。
本文小结
采用此类建模方式就有可能分析系统行为与输入信号的函数关系。图9中的第一张图是通过改变传感器和编码器轮之间的距离而产生的磁输入信号，该信号是有限元仿真的结果，利用AMR效应还可以将该信号转换为传感器桥的一个电输出信号。中间那张图是模拟信号处理的结果。最下面一张图为输出信号。图10给出了ModelSim中的信号波形例子。
图9：仿真结果：电输出信号与磁输入信号
图11：完整的仿真工具链
利用MATLAB进行仿真控制，再结合其他仿真器可以创建额外的功能选项。例如，仿真可以实现自动化，可以利用扩展算法在MATLAB下实现信号评估。利用ANSYS等FEM仿真器，还有可能将被仿真的系统元件范围扩大到磁阻传感器头和相关的编码器。图11说明了为此需要用到的整个工具链。(end)
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(4/9/2011) |
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