主题中讨论的其他器件： TMAG5273
使用磁性输入(霍尔效应、AMR、GMR、TMR)设计任何角度测量时、第一步是选择要用作输入源的磁体。 根据传感器的方向灵敏度、必须确保有足够的场输入使传感器正常运行。 简要考虑 TMAG5170或 TMAG5273。 这些器件是线性三维(3D)霍尔效应传感器。 TMAG5170使用 SPI 接口、而 TMAG5273则使用 I2C 进行通信。 传感器在所有三个轴中均具有灵敏度、因此可灵活放置任一传感器。
放置注意事项
从上图所示的位置可以看出一些重要的注意事项。 轴上外壳是使用单个磁传感器进行角度感应的最理想位置。 在这种放置方式下、磁场与磁体表面自然平行、并完全驻留在传感器的 XY 平面内。 为了实现这种放置、径向磁体位于旋转轴的中心、传感器与磁体的旋转轴完全对齐。 即使在使用具有非圆形轮廓的磁体时、此关系也会在该位置保持真值。 下面显示了一个包含圆柱体和条形磁体极化轴的射野2D 切片。 我们看到、无论形状如何、磁场都与中心上方的磁体表面平行。 这意味着相对于磁体、B 场矢量自然是一维、因此将向放置在轴上的静止3D 传感器产生理想的正弦/余弦输入。
尽管方形磁体可用于轴上测量、但由于输入磁场的非正弦性质、否则不建议使用该磁体。 方形磁体可简化 终端产品组装过程中的对齐。 对于任何磁体分布、轴上对齐的主要优势是机械误差对最终角度测量的影响往往较小。
第一幅图像中显示的另一个选项是平面内对齐。 这是一个非常紧凑的对齐选项、但会产生严重不匹配的输入。 由此产生的振幅不匹配会产生角度计算的非线性。 TMAG5170和 TMAG5273可提供振幅校正、从而最大限度地减小这种影响。 这种对齐方式允许将偶极环形磁体安装在旋转轴的任何位置、从而使轴的末端自由用于系统的其余部分。 平面对齐可以更轻松地将角度测量集成到 BLDC 电机上、同时最大限度地减小尺寸。
最终放置选项标记为偏轴并表示所有其他位置。 在平面和偏轴对齐之外、有任意数量的位置将生成一个可测量场、其中包含全部三个笛卡尔坐标方向的组件。 每个组件的振幅将随位置而变化、但它们仍然是正弦波、并以90度间隔彼此相位分离。 此外、可能会发现一些位置会产生均衡的输入、但应该预计用于角度计算的两个轴之间也会出现振幅不匹配。
磁体属性
除了选择是否使用径向圆柱进行轴上测量或使用环形磁体进行偏轴或平面测量之外、各种其他磁体属性将影响所观察到的磁场。
- 材料等级
任何磁体的材料等级都直接影响该磁体的 B-H 关系。 了解由于应用了外部 H 场源而产生的任何磁体 B 场的关系非常有用。
当应用的 H 场用于磁化永磁体时，剩余的 B 场值被称为剩余磁化，即 Br。 该值在闭合磁性电路中测量、与磁体的表面磁场不等效。 使用磁力计在开磁电路中测量表面磁场、并且随磁体几何形状而变化。 对于同一等级的任何尺寸的磁体、BR 都是恒定的、而磁体产生的表面积将取决于该磁体的表面积和极长之间的关系。 任何磁性材料的各种不同等级将具有不同的 BR 值、这决定了该磁体产生的磁场强度。 考虑 B 场与不同等级和磁体材料的距离之间的关系、尺寸相等、如下图所示。 传感器沿磁体极化轴放置、可以调整范围以找到旋转期间将观察到的峰值 B 场值。 对于本例和所有后续图、将使用直径为6mm、厚度为3mm 的磁体。
- 尺寸
如前所述、磁体的尺寸将影响表面磁通密度、并影响任何给定磁体产生的测量磁场。 考虑高度和半径相等的各种 N52级钕磁铁的 B 场与距离之间的关系。
请注意、在这种情况下、每个磁体的表面磁场是等效的、对于更大的磁体半径、在任何气隙距离处观察到的磁场都更大。 还需要注意的是、在任何距离处观察到的磁场与磁体半径的比率保持恒定。 也就是说、使用1.5mm 半径磁体在2mm 处观察到的磁场相当于使用6mm 半径磁体在8mm 处观察到的磁场。 - 温度漂移
各种可用的磁性材料对温度变化的响应各不相同。 对于所有磁体、磁场强度将降低一定的值、直到 Curie 温度、 磁体中的原子偶极无法再保持磁对齐。 各种磁体材料的典型值如下所示：
对于工作温度范围较宽的系统、通常会选择 Samarium CoBolt (SmCo)类型磁体、因为它们的温度漂移较低、但它们提供的磁场强度不如钕磁体通常观察到的磁场强。 最终、对于大多数应用、目标是使用可为传感器产生可测量输入的最小可用磁体。 对于任何系统、磁体安装到旋转轴的能力、成本和可用性可能是磁体选择的主要因素。 钕磁铁(NdFeB)往往提供最高的磁场强度、而铁氧体磁体往往成本最低。
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