介绍一种电机速度传感器—磁阻角度传感器

前面我们介绍了磁阻式旋转变压器电机速度传感器，下面将从介绍另一种电机速度传感器——磁阻角度传感器，此磁阻非彼磁阻。

• 磁阻效应；
• 磁阻技术进行角度测量的理论
• 磁阻角度测量传感器
• 磁阻角度传感器的技术优势

**1. **磁阻效应

某些铁磁合金（例如坡莫合金）的电阻大小容易受到外部磁场的影响。这种固态磁阻效应或各向异性磁阻（AMR）可以在薄膜技术中轻松实现，从而可以生产出精密但又具有成本效益的传感器，为磁阻角度传感器的系统设计提供了理论基础。

**2. **磁阻技术进行角度测量的理论

磁阻传感器利用了磁阻效应，这种效应是载流磁性材料在外部磁场的作用下改变其电阻的特性。图1显示了一条铁磁材料带，称为坡莫合金。

图1. 坡莫合金的磁阻效应

假设当不存在外部磁场时，坡莫合金具有内部磁化矢量M平行于电流（α= 0）。如果是外部磁场平行于坡莫合金平面但垂直于电流，则坡莫合金的内部磁化矢量将旋转一个α角度。结果是，坡莫合金的电阻R将随α角度的变化而变化:

R0和△R0是材料常数。从等式（1）可以明显看出场关系是非线性的。当外部磁场足够大，坡莫合金内部磁化矢量M将紧紧跟随外部磁场的向量H，如此，内部磁化矢量M与外部磁场的向量H相互平行。

通常，外部磁场是由永磁体产生的，如samarium-cobalt (SmCo)类型。可利用坡莫合金和外部永磁体构建角度测量系统，如图2所示，其中永磁体固定在旋转轴上，永磁体转过的角度即为旋转轴转过的角度，坡莫合金做成磁阻角度测量传感器固定在PCB板上。

图2：角度传感器和磁体的布置

磁阻角传感器在硅基板上蚀刻，四个坡莫合金条以惠斯通电桥结构排列，分别连接到传感器电源电压VCCS和传感器接地电位GNDS。如图3所示。

图3. 角度传感器惠斯通电桥配置

根据等式（1）给出的基本关系，这种惠斯通电桥输出信号（+ Vo，-Vo）的差分值与sin2α成比例。这意味着包括一个惠斯通电桥的传感器可以测量90°的角度范围。如图4所示。

图4. 单个惠斯通电桥传感器的输出信号

通过使用双桥结构，可以将有限的角度范围扩展到180°测量范围。如图5所示。

图5：双惠斯通电桥传感器的输出信号

双惠斯通电桥相互之间的偏移角度为45°。在这种布置中，两个输出信号显示出90°的电相移。因此，这两个信号分别与sin2α和cos2α成比例。这意味着包括两个惠斯通电桥的传感器可以测量180°的角度范围。

**3. **磁阻角度测量传感器

图6. 某磁阻角度传感器的电路架构

如图6所示，为某公司提供的磁阻角度传感器的电路架构。该传感器元件由两个交错的惠斯通电桥构成，如绿色方框图，用于余弦和正弦信号，以及用于控制和信号放大的辅助功能。温度补偿电路（红色）生成与绝对温度成比例的参考电流，U / I转换器和电流倍增器生成参考电流，该参考电流取决于电源电压，温度和电阻。该参考电流控制两个传感器桥的电源电压，以通过电源缓冲器（蓝色）补偿其温度系数（TC）。对于噪声和EMC抑制，实施了桥式电源的低通滤波。电桥输出电压通过恒定因子放大，并馈送到输出缓冲器（黄色）。

为了最佳地使用ADC输入范围，余弦和正弦输出电压与电源电压成比例关系，以电源电压VCC=3.3V为例，Vout1和Vout2的输出信号如图7所示。VTEMP引脚提供与温度相关的输出电压（紫色）。TCC_EN引脚用于通过功能控制块启用或禁用温度系数补偿。POWERDOWN_EN引脚用于将设备切换到掉电模式，并将输出VOUT1和VOUT2设置为高阻抗。VTEMP引脚将通过内部电阻拉至GND接地电平。如果不使用，应将其连接到GND电位。磁阻角度传感器内部采用了断线检测（棕色），并在故障出现时，将输出电压VOUT1和VOUT2拉至接地GND电平，禁用引脚VTEMP。

图7. 磁阻角度传感器的输出信号Vout1和Vout2

图8. 磁阻角度传感器的测量系统

如图8所示，磁阻角度传感器用于电机角度和速度测量。磁阻角度传感器的两个输出信号连接到控制单元（ECU）的AD转换器，根据这两个信号进行电机角度和速度的计算。使用的磁阻角度传感器可获得高精度的信号值，并具备以下几点优势：

-. 低电能消耗；

-. 用于磁阻角度传感器和永磁体布置的空间比较小，使得电机结构的设计可以非常紧凑。

正如前面提到双惠斯通电桥磁阻角度传感器有效测量范围为180°，因此，它主要应用于极对数为偶数的电机角度和速度测量。对于奇数数量的极对的电机，转子位置没有明确定义。如图9所示，红色曲线是磁阻角度传感器所测量的角度。

图9.角度测量曲线

**4. **磁阻角度传感器的技术优势

由于磁阻效应是一个角度效应，它非常适合用于非接触式角度测量系统。坡莫合金带的电阻大小随带中内部磁化矢量和流过带的电流矢量之间的夹角变化而变化。因此，为了实现精确的测量，唯一要满足的条件是坡莫合金的内部磁化矢量必须实时跟随外部磁场矢量。当使用比内部磁化强度高得多的外部磁场强度时，可以确保这一点。利用坡莫合金的磁阻效应测量旋转角度和速度，具备以下优势：

-.磁漂移的独立性

-.磁漂移与温度无关

-.独立于机械装配公差

-.由热应力引起的机械位移的独立性

此外，具备与所有其他非接触式测量系统相同的优势：没有磨损，并且可以用非磁性材料完全封装，从而使传感器模块在污染和机械破坏方面坚固耐用。所有这些优点使得磁阻角度测量系统成为非常可靠、精确但又具有成本效益的角度测量解决方案。