Allegro ATS344LSP磁背偏差分线性传感器集成电路的应用及优点

Allegro ATS344LSP磁背偏差分线性传感器集成电路的应用及优点

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由亚尼克Vuillermet
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems欧洲有限公司

介绍

本应用笔记旨在对快板的典型用法给予深入的了解ATS344LSP背偏差分线性传感器IC。这种传感器的主要应用是测量线性运动，如轴轴位移。

为了正确使用，该传感器必须与设计良好的移动铁磁目标相关联。背偏排列和差分传感技术需要特定的目标形状来产生有用的磁信号。

ATS344LSP包括一个两线输出接口，并在封装中集成了一个旁路电容，这使得它适合分散传感(典型的汽车应用)，而不需要印刷电路板。亚博尊贵会员

与通常用于线性位置测量的磁传感器相比，ATS344LSP提供独特的性能优势。

本文介绍了ATS344LSP的传感原理，说明了其磁性结构的优点，并给出了一个典型的用户应用。

ATS344LSP测量原理

ATS344LSP由两个霍尔板和HP组成₁和惠普₂和一个稀土磁铁，位于这些传感元件的后面(见图1)。

磁体沿y轴磁化，两个霍尔板都沿y轴测量场强。传感器测量微分场ΔB = B₂- B₁．B₂磁场是用HP来测量的吗₂和B.₁磁场是用HP来测量的吗₁．

在图2中，ATS344LSP传感器被放置在一个基本铁磁靶的前面。提醒一下，铁磁性材料是一种放置在外磁场中会磁化的材料。铁磁材料也倾向于集中局部磁力线。大多数钢是铁磁性的。

在这种情况下，由于传感器背偏磁铁，目标获得磁化。这个目标磁化产生它自己的磁场，它被两个霍尔板HP感应₁和惠普₂．

两个霍尔板也看到背景磁场从磁铁(称为磁铁基线)。然而，在一个理想的情况下，在差动操作期间有利地减去磁体基线场。

由于图2中的目标形状，霍尔板1感测
多场比霍尔板2:差场ΔB₁= B₂- B₁是负的，而且很大。

下面将气隙定义为目标距离传感器最近的点到传感器封装面之间的距离(参见图2)。

当目标向左移动时，如图3所示，差分字段ΔB₂仍然是负的，但B之间的差异比较小得多₁和B.₂．产生这种差异磁场变化的原因是单个霍尔板上被测磁场水平与传感器到目标的距离之间的非线性行为。

这个非线性函数可以在图4中看到，它展示了由单个霍尔板感知的场与该霍尔板和铁磁目标之间的距离的典型行为(任意单位)。该图还给出了图2的红色情况和图3的绿色情况。

因此，由ATS344LSP感测的差分场ΔB是目标的直接测量目标的独特位置（图5）。

ATS344LSP相对于其他磁性安排的优点

ATS344LSP为测量线性位移提供了一种独特的、优越的方法。下面介绍测量线性位移的其他常用技术。

第一种常用的技术是使用单场测量(例如，单霍尔板)与零高斯(或0g)环形磁铁(图6)相结合。零高斯磁铁是一个磁铁
设计成在霍尔板位置（即磁体基线为零）没有场。环磁体也沿Y轴磁化。

零高斯磁铁与单霍尔板集成电路一起使用，以限制温度变化导致的传感器误差(例如，SmCo稀土磁铁损耗约4%)
与20°C相比，150°C时的强度)。一个非零高斯磁铁会有一个高的基线磁场，并且这个磁场在温度下的变化是难以补偿的。

对应的Allegro IC用于这些类型的线性位移测量，例如，ATS341LSE。

由这种零高斯系统的霍尔板感测的字段是传感器和移动铁磁目标之间的距离的非线性测量：较近目标，更亮
这个领域。传感器响应如图4所示。

0g安排的主要优点是概念的简单性。其缺点主要是0g磁铁(与矩形磁铁相比)的价格昂贵和对外界的敏感性
扰动磁场——任何外部场的扰动都会被单霍尔板直接感应到。注意，在应用中通常也需要校准这类传感器，以补偿实际安装的气隙的变化。

测量线性位移的第二种常用技术是使用一个安装在被感知的运动物体上的永磁体和一个能够测量角度的传感器
这个磁铁产生的磁场。

图7说明了这个原理:一个移动的磁铁沿x轴被磁化。测量了磁场角β，它是对磁体位置的直接测量。

更多关于这一原理的信息可以在Allegro的应用注释中找到:“使用角度传感器芯片的线性位置传感”可在Allegro的网站上找到。一个相应的Allegro IC为这些类型的线性位移测量将是，例如，A1335．

图7中的配置对气隙变化具有低灵敏度，并且根据磁体设计，这是本申请中描述的唯一能够达到大的技术
空气间隙(>4毫米)和长途旅行距离(>10毫米)。

这种配置的主要缺点是需要将磁铁安装在系统中要感测的移动物体上。安装磁铁的过程很昂贵，总有
磁体脱离物体的可能性。

此外，磁角测量对外部扰动磁场非常敏感。

由于ATS344LSP采用差分传感原理，该IC对外部磁场扰动基本不敏感。在两个霍尔板上的类似扰动(即共模场)自然会被IC中使用的差分处理电路所拒绝，而ATS344LSP对两个霍尔板上的不同扰动仍然敏感。例如，与SP封装引线平行，距离传感器40毫米，携带500 a，将产生一个2g微分响应，将在传感器输出上观察到。但请注意，在这种情况下，单个或2D场测量将感知到25g的变化。

ATS344LSP的差分测量技术还允许使用简单且经济的矩形磁铁，而不是复杂且昂贵的零高斯磁铁。可以使用更简单的磁体，因为ATS344LSP中的差分计算可以取消磁体基线。

使用具有集成后偏置磁铁的铁磁目标和IC具有许多优点，并且还有必须考虑的权衡。主要权衡有关
操作气隙能力和集成电路的线性位移传感范围，这些参数受Allegro SP封装中集成磁铁的尺寸限制。对于SP包裹，
典型的最大气隙约为2毫米，最大感测的行驶范围约为10毫米。在移动磁体技术的情况下，气隙能力和行驶范围可以更大 - 以非常大且昂贵的磁铁的成本和对外部扰动场的免疫力降低。

在某些应用中，被亚博尊贵会员感知的移动物体是一个轴，它将线性移动，但也可能绕其轴旋转。在这种情况下，移动磁铁方法需要一个磁铁
覆盖整个轴的周长。这也将导致一个过大和昂贵的磁铁。

如前所述，与安装离散磁铁相比，使用ATS344LSP和钢靶来测量线性位移通常要容易得多，成本也更低。

表1:线性位移测量的不同应用架构的比较

	0g反向偏压 和单 测量 （ATS341LSE）	动磁式和 磁场角 测量(A1335)	ATS344LSP 反偏 微分 测量
最大气盈率 (毫米)	≈2	> 4 *	≈2
典型的中风 长度(毫米)	≈10	取决于 移动磁铁 多达几十个 毫米*	≈10
典型的 精度	媒介	高*	媒介
校准 内部 应用	推荐	可以避免	推荐
免疫力 外部 扰动场	低	低	高的
磁铁	集成 复杂的形状	取决于 应用	集成 简单的形状
目标	铁磁	永恒的 磁铁	铁磁
目标 安装	容易	困难	容易

*具有良好的空气间隙能力，长距离和/或良好的精度始终处于大型和昂贵的移动磁铁的成本。

表1中的数据仅是典型值。有关特定应用程序的更多详细信息，请联系本地Allegro工程师。

典型的应用示例

注意，下面所有的结果都来自模拟，可能与真实世界的结果略有不同。

在该示例中，目标是确定目标的位置（图8）。目标沿X轴移动。

为了说明ATS344LSP传感器的性能，考虑一个典型的应用，其要求如下:

• 静态气隙:1.35±0.45 mm
• 动态气隙：±0.05 mm
• 温度范围:-40℃~ 150℃
• 旅行范围R: 10毫米
• 2点校准由用户在直线行程的终点进行:10/90%的PWM输出预期在这些位置

为了具有适当的输入场范围，使用V形目标，其在ATS344LSP传感器上生成双极差分字段。

如前所述，磁场不会与应用气隙线性降低（图4）。亚博尊贵会员因此，使用直的V形靶（图9）本质上将导致
非线性差分传感器输出和精度误差。此错误称为目标内在非线性。

然而，目标形状优化可以补偿这种固有的非线性。的确，磁场在接近气隙时减小得很快，而在较大气隙时减小得慢得多。因此，在v形中间有一个较大斜率的目标(即在霍尔板实际感知到一个大气隙的地方)可以补偿非线性磁场行为。

一个合适的目标设计还必须考虑其他应用参数(例如动态气隙变化)和传感器IC误差(随温度的偏移漂移，随灵敏度的漂移
温度,等等)。

图10显示了应用程序示例的最佳目标的横断面视图。一个目标长度l所选的14毫米既适合行程范围又适合距离
两个霍尔板(3毫米)，但也有关于v形终点的边际。需要这个边界来避免v形区域以外的平坦区域的错误测量。这里取了1毫米的边缘。目标长度L由:

L≥R + 4mm

“v”字形高度建议取值为2 ~ 4mm(图10中为3.5 mm)。小于2毫米的高度会导致小的微分场，从而导致
更高的位置不准确。大于4毫米的高度不会显著增加磁场，因为铁磁材料会离传感器太远。

图11显示了ATS344LSP传感器在该最佳目标前面感测的差分场，而目标轴向位置和与气隙相比。可以看出，差压在标称施加气隙（1.35mm）和大的空气间隙中是线性的，但在小的空气间隙下显着偏离。这是故意的：在小的空气间隙下，传感器感测的差分场得多（图12）使得传感器对测量误差（主要是IC偏移漂移而言更敏感。因此，必须进行折衷，必须在小型和大的空隙下获得类似的精度性能。在空气隙中，误差主要来自内在目标非线性，并且在大的空气间隙中，误差主要来自传感器测量误差。

现在，将对这个应用程序示例的预期精度进行评估。为了获得真实值，我们进行了蒙特卡罗统计分析。在该仿真中，根据不同的应用参数(如安装气隙和传感器偏移误差)的统计分布规律，对数千个实际情况进行了建模。对于每一种情况，都对传感器输出精度进行了评估。

所给出的结果适用于整个集成电路温度范围，包括传感器寿命漂移。这里报告的误差是目标位移全范围的最大位置误差。的
考虑的偏移漂移寿命为±12g(基于对类似产品进行的简化温度循环测试;这个数字将在未来的ATS344LSP测试中得到确认)。

假设以下机械分布用于执行蒙特卡罗分析：

参数	分布	意思是(毫米)	标准 偏差(毫米)
越来越多的 气隙	高斯	1.35	0.15
最大动感 气隙	高斯; 只有积极的 值都保持	0	0.05 / 3

图13显示了评估的所有仿真案例在全行程范围内最大位置误差的分布。它包括安装气隙、动态气隙变化、温度变化、传感器误差和目标固有非线性。传感器误差包括随温度变化的偏置和灵敏度漂移、偏置和灵敏度寿命漂移、传感器分辨率和非线性。请注意，% FS (% Full Scale)表示全线性行程范围的百分比。

传感器在应用中安装后进行校准，使行程范围的第一端返回10%的PWM，第二端返回90%的PWM(见图14)。

平均误差约为4.9% FS，标准差约为1.3% FS。从误差分布分析来看，大约3000ppm的样品有最大误差
大于9.4% FS或0.94 mm。

尽管未进行输出线性化以补偿内在目标非线性，但传感器的最终精度合理。

图14显示了一个随机仿真情况下，关于所有不同参数的传感器输出的期望包络线。

图15显示了典型的测量误差与安装气隙的关系。如预期的，最小误差是在公称气隙附近，曲线近似对称
相对于安装气隙范围(0.9 ~ 1.8 mm)。

结论

亚博棋牌游戏Allegro Microsystems ATS344LSP磁背偏差分线性传感器ic在测量目标或轴的线性行程位置时具有独特的优势。与传统的零高斯背偏线性集成电路相比，或与磁性集成电路相比角度传感器集成电路ATS344LSP可以感应移动磁铁，提供:

• 消除客户系统的磁铁
• 轻松集成铁磁性目标
• 对外部扰动场的敏感性非常低

因此，建议使用ATS344LSP:

• 在恶劣的磁场环境中
• 简化目标安装（降低成本），
• 提高目标夹具在机械上的应用可靠性。

更多关于如何ATS344LSP将在特定应用程序中执行，联系当地的Allegro应用工程师．