前面我們介紹了磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)速度傳感器，下面將從介紹另一種電機(jī)速度傳感器——磁阻角度傳感器，此磁阻非彼磁阻。

• 磁阻效應(yīng)；
• 磁阻技術(shù)進(jìn)行角度測(cè)量的理論
• 磁阻角度測(cè)量傳感器
• 磁阻角度傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

**1. **磁阻效應(yīng)

某些鐵磁合金（例如坡莫合金）的電阻大小容易受到外部磁場(chǎng)的影響。這種固態(tài)磁阻效應(yīng)或各向異性磁阻（AMR）可以在薄膜技術(shù)中輕松實(shí)現(xiàn)，從而可以生產(chǎn)出精密但又具有成本效益的傳感器，為磁阻角度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

**2. **磁阻技術(shù)進(jìn)行角度測(cè)量的理論

磁阻傳感器利用了磁阻效應(yīng)，這種效應(yīng)是載流磁性材料在外部磁場(chǎng)的作用下改變其電阻的特性。圖1顯示了一條鐵磁材料帶，稱為坡莫合金。

圖1. 坡莫合金的磁阻效應(yīng)

假設(shè)當(dāng)不存在外部磁場(chǎng)時(shí)，坡莫合金具有內(nèi)部磁化矢量M平行于電流（α= 0）。如果是外部磁場(chǎng)平行于坡莫合金平面但垂直于電流，則坡莫合金的內(nèi)部磁化矢量將旋轉(zhuǎn)一個(gè)α角度。結(jié)果是，坡莫合金的電阻R將隨α角度的變化而變化:

R0和△R0是材料常數(shù)。從等式（1）可以明顯看出場(chǎng)關(guān)系是非線性的。當(dāng)外部磁場(chǎng)足夠大，坡莫合金內(nèi)部磁化矢量M將緊緊跟隨外部磁場(chǎng)的向量H，如此，內(nèi)部磁化矢量M與外部磁場(chǎng)的向量H相互平行。

通常，外部磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，如samarium-cobalt (SmCo)類型?？衫闷履辖鸷屯獠坑来朋w構(gòu)建角度測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示，其中永磁體固定在旋轉(zhuǎn)軸上，永磁體轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，坡莫合金做成磁阻角度測(cè)量傳感器固定在PCB板上。

圖2：角度傳感器和磁體的布置

磁阻角傳感器在硅基板上蝕刻，四個(gè)坡莫合金條以惠斯通電橋結(jié)構(gòu)排列，分別連接到傳感器電源電壓VCCS和傳感器接地電位GNDS。如圖3所示。

圖3. 角度傳感器惠斯通電橋配置

根據(jù)等式（1）給出的基本關(guān)系，這種惠斯通電橋輸出信號(hào)（+ Vo，-Vo）的差分值與sin2α成比例。這意味著包括一個(gè)惠斯通電橋的傳感器可以測(cè)量90°的角度范圍。如圖4所示。

圖4. 單個(gè)惠斯通電橋傳感器的輸出信號(hào)

通過(guò)使用雙橋結(jié)構(gòu)，可以將有限的角度范圍擴(kuò)展到180°測(cè)量范圍。如圖5所示。

圖5：雙惠斯通電橋傳感器的輸出信號(hào)

雙惠斯通電橋相互之間的偏移角度為45°。在這種布置中，兩個(gè)輸出信號(hào)顯示出90°的電相移。因此，這兩個(gè)信號(hào)分別與sin2α和cos2α成比例。這意味著包括兩個(gè)惠斯通電橋的傳感器可以測(cè)量180°的角度范圍。

**3. **磁阻角度測(cè)量傳感器

圖6. 某磁阻角度傳感器的電路架構(gòu)

如圖6所示，為某公司提供的磁阻角度傳感器的電路架構(gòu)。該傳感器元件由兩個(gè)交錯(cuò)的惠斯通電橋構(gòu)成，如綠色方框圖，用于余弦和正弦信號(hào)，以及用于控制和信號(hào)放大的輔助功能。溫度補(bǔ)償電路（紅色）生成與絕對(duì)溫度成比例的參考電流，U / I轉(zhuǎn)換器和電流倍增器生成參考電流，該參考電流取決于電源電壓，溫度和電阻。該參考電流控制兩個(gè)傳感器橋的電源電壓，以通過(guò)電源緩沖器（藍(lán)色）補(bǔ)償其溫度系數(shù)（TC）。對(duì)于噪聲和EMC抑制，實(shí)施了橋式電源的低通濾波。電橋輸出電壓通過(guò)恒定因子放大，并饋送到輸出緩沖器（黃色）。

為了最佳地使用ADC輸入范圍，余弦和正弦輸出電壓與電源電壓成比例關(guān)系，以電源電壓VCC=3.3V為例，Vout1和Vout2的輸出信號(hào)如圖7所示。VTEMP引腳提供與溫度相關(guān)的輸出電壓（紫色）。TCC_EN引腳用于通過(guò)功能控制塊啟用或禁用溫度系數(shù)補(bǔ)償。POWERDOWN_EN引腳用于將設(shè)備切換到掉電模式，并將輸出VOUT1和VOUT2設(shè)置為高阻抗。VTEMP引腳將通過(guò)內(nèi)部電阻拉至GND接地電平。如果不使用，應(yīng)將其連接到GND電位。磁阻角度傳感器內(nèi)部采用了斷線檢測(cè)（棕色），并在故障出現(xiàn)時(shí)，將輸出電壓VOUT1和VOUT2拉至接地GND電平，禁用引腳VTEMP。

圖7. 磁阻角度傳感器的輸出信號(hào)Vout1和Vout2

圖8. 磁阻角度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)

如圖8所示，磁阻角度傳感器用于電機(jī)角度和速度測(cè)量。磁阻角度傳感器的兩個(gè)輸出信號(hào)連接到控制單元（ECU）的AD轉(zhuǎn)換器，根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行電機(jī)角度和速度的計(jì)算。使用的磁阻角度傳感器可獲得高精度的信號(hào)值，并具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

-. 低電能消耗；

-. 用于磁阻角度傳感器和永磁體布置的空間比較小，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以非常緊湊。

正如前面提到雙惠斯通電橋磁阻角度傳感器有效測(cè)量范圍為180°，因此，它主要應(yīng)用于極對(duì)數(shù)為偶數(shù)的電機(jī)角度和速度測(cè)量。對(duì)于奇數(shù)數(shù)量的極對(duì)的電機(jī)，轉(zhuǎn)子位置沒有明確定義。如圖9所示，紅色曲線是磁阻角度傳感器所測(cè)量的角度。

圖9.角度測(cè)量曲線

**4. **磁阻角度傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

由于磁阻效應(yīng)是一個(gè)角度效應(yīng)，它非常適合用于非接觸式角度測(cè)量系統(tǒng)。坡莫合金帶的電阻大小隨帶中內(nèi)部磁化矢量和流過(guò)帶的電流矢量之間的夾角變化而變化。因此，為了實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，唯一要滿足的條件是坡莫合金的內(nèi)部磁化矢量必須實(shí)時(shí)跟隨外部磁場(chǎng)矢量。當(dāng)使用比內(nèi)部磁化強(qiáng)度高得多的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，可以確保這一點(diǎn)。利用坡莫合金的磁阻效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度和速度，具備以下優(yōu)勢(shì)：

-.磁漂移的獨(dú)立性

-.磁漂移與溫度無(wú)關(guān)

-.獨(dú)立于機(jī)械裝配公差

-.由熱應(yīng)力引起的機(jī)械位移的獨(dú)立性

此外，具備與所有其他非接觸式測(cè)量系統(tǒng)相同的優(yōu)勢(shì)：沒有磨損，并且可以用非磁性材料完全封裝，從而使傳感器模塊在污染和機(jī)械破壞方面堅(jiān)固耐用。所有這些優(yōu)點(diǎn)使得磁阻角度測(cè)量系統(tǒng)成為非常可靠、精確但又具有成本效益的角度測(cè)量解決方案。