- 磁阻傳感器的系統仿真
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/8/4
系統仿真
要開發傳感器系統，首先必須對預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準規格，以及預期尺寸和公差。通過 ANSYS 方法進行 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行建模的問題(圖 5)。然后便可根據傳感器元件和編碼器輪之間的距離，確定與之呈函數關系的磁場強度。圖 6 是傳感器橋上的磁輸入信號與距離呈函數關系的三維圖示。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 FEM仿真方法，這樣也可將機械規范轉化成預期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會導致偏移，這同樣會影響系統的正常運轉。FEM 仿真也可以預估其造成的影響(圖 7)，而且結果可直接轉化為可容許的位置公差。
確定磁場之后是傳感器系統仿真。AMR 元件的電阻變化是各向異性磁阻效應的直接結果。這樣，磁場仿真的結果會導致代表信號處理中輸入信號的電阻發生變化。對模擬前端進行建�？刹捎� Simulink。這種行為模型是概念設計的產物，標志著產品開發的起點。每個 Simulink 塊對應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，這由數字系統實現。HDL 設計則仿真通過數字方法實現的功能，而且在完成產品開發之后就會最終成形。因此，整體系統仿真是 Simulink 對模擬組件的行為模型以及ModelSim 對 HDL 設計的共同仿真(圖8)。可通過仿真從概念階段順利過渡到HDL 設計及后續階段。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，從而可逐項驗證 HDL 設計�？沙掷m進行此過程，直到在 Verilog 中實現整個數字部件，而模擬系統部件仍保持為 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、更準確地答復客戶的查詢，以及更好地了解與環境條件相關的傳感器功能。
圖 6 與傳感器頭和編碼器輪間距離呈函數關系的磁輸入信號模擬
圖 7 為確定可容許的位置公差而進行的磁場計算
圖 8 模擬前端和數字塊的共同仿真
結論
通過此項建模，可以分析與輸入信號呈函數關系的系統行為。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生的磁輸入信號。此信號是有限元件仿真結果，之后 AMR 效應可將此信號轉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果。下面一張圖表顯示輸出信號。此器件使用 A 7/14/28 mA 協議。這種協議可用來傳送額外信息，例如感測旋轉或氣隙長度。除了這些結果之外，也可以檢查數字控制的運行情況。圖 10 顯示的是ModelSim 中的信號圖象實例。
通過MATLAB 進行仿真控制并結合其他仿真器可創造更多選擇。首先，例如可使模擬自動化。然后可以使用大量算法在 MATLAB 中進行信號仿真。例如，對所需系統和信號參數進行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨后進行自動化分析。
通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴展所仿真的系統組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關編碼器，從而將系統視圖擴展到傳感器周圍直接相關的區域。圖11 顯示的是用于此目的的整個工具鏈。
圖 9 模擬結果：電輸出信號比對磁輸入信號
圖 10 數字系統元件的仿真
圖 11 完整的仿真鏈
總結
許多汽車應用中都采用基于 AMR 效應的現代智能傳感器。對傳感器系統的要求自然會因應用而異。在部署整個系統之前先進行系統仿真可確保各項功能符合規范。假設發現磁變量、機械變量和電變量之間存在復雜的相互影響，只用一件簡單的仿真工具不能解決問題。此時需要結合使用不同工具，每件工具都是針對特定任務的最佳解決方案。因此使用磁場仿真器來確定磁輸入信號，同時Simulink對模擬輸入進行仿真。HDL設計之后對模擬部件進行數字控制仿真。最終整個系統實現全面仿真。建模已成為預開發的一部分，并隨著產品開發的進程不斷優化改進。最后就會得到經過驗證確認符合產品規范的設計，以及可用來解決后續問題的模型，作為市場支持的一部分。
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