Allegro ATS344LSP的应用与优点磁回偏差线辅线传感器IC

Allegro ATS344LSP的应用与优点磁回偏差线辅线传感器IC

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作者：Yannick Vuillermet，
雷竞技竞猜下载Allegro Microsystems欧洲有限公司

介绍

本申请说明旨在介绍典型使用AllegroATS344LSP型反向偏置差分线性传感器集成电路。该传感器的主要应用是测量直线运动，如轴轴向位移。

为了适当使用，该传感器必须与设计良好的移动铁磁目标相关联。后偏置装置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包括双线输出接口，并将旁路电容集成到包装中，这使得适用于分散的传感（典型的汽车应用中），而无需印刷电路板。雷竞技最新网址

与通常用于线性位置测量的磁性传感器相比，ATS344LSP具有独特的性能优势。

在下面的应用说明中，描述了ATS344LSP传感原理，解释了其磁配置的优点，并展示了一个典型的用户应用。

ATS344LSP测量原理

ATS344LSP在单个封装中包括两个霍尔板（HP）₁和HP₂，分开3毫米，稀土磁铁，位于这些传感元件后面（见图1）。

磁铁沿Y轴磁化，两个霍尔板沿Y轴测量场强。传感器测量差分场ΔB= B.₂–B级₁. B类₂磁场是用HP测量的吗₂和B₁磁场是用HP测量的吗₁.

在图2中，ATS344LSP传感器被放置在一个基本铁磁目标的前面。提醒一下，铁磁性材料是一种在外磁场中被磁化的材料。铁磁性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，目标获得磁化。这个目标磁化产生自己的磁场，由两个霍尔板感应₁和HP₂.

两块霍尔板也能看到磁铁的背景磁场（称为磁铁基线）。然而，在理想情况下，在差分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感觉到
大于霍尔板2的场：微分场ΔB₁= B.₂–B级₁然后是负的和大的。

在下文中，气隙定义为目标到传感器的最近点和传感器组件表面之间的距离（参见图2）。

当目标移动到左侧时，如图3所示，差分场ΔB₂仍然是负数，但B和B之间的差异要小得多₁和B₂. 微分磁场变化的原因是单个霍尔板上测量的磁场水平与传感器到目标的距离之间的非线性行为。

该非线性函数可以在图4中可以看出，这表明由单个霍尔板与该霍尔板和铁磁靶之间的距离相比所感测的场的典型行为（具有任意单位）。该图还提供了红色的情况和绿色的形式，如图3的情况。

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相对于其他磁性排列的优势

ATS344LSP为测量线位移提供了独特而有利的方法。测量线性位移的其他常用技术如下所述。

第一种常用技术是使用单场测量（例如，单个霍尔板）和零高斯（或0 G）环形磁铁（图6）。零高斯磁铁就是磁铁
设计为在霍尔板位置没有磁场（即磁铁基线为零）。环形磁铁也沿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不准确（例如，钐钴稀土磁铁损失约4%的磁场）
与20℃相比，其在150℃下的强度。非零高斯磁铁的基线磁场很高，磁场随温度的变化很难补偿。

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

这种零高斯系统的霍尔板感应到的磁场是传感器与运动铁磁目标之间距离的非线性测量：距离目标越近，磁场越强
田野。传感器响应如图4所示。

0g排列的主要优点是概念简单。缺点主要是昂贵的0g磁铁（与矩形磁铁相比）和对外部磁场的敏感性
扰动磁场任何外部磁场扰动都将由单个霍尔板直接感应。注意，通常也有必要在应用中校准此类传感器，以补偿实际安装气隙的变化。

测量线性位移的第二种常用技术是使用安装在待感测运动物体上的永磁体和能够测量物体角度的传感器
由该磁铁产生的磁场。

图7说明了这个原理：一个移动的磁铁沿着x轴磁化。测量磁场角β，直接测量磁铁位置。

关于这个原理的更多信息可以在Allegro的网站上找到：“使用角度传感器IC的线性位置传感”。例如，这些类型的线性位移测量对应的Allegro IC是A1335型.

图7中的配置对气隙变化的灵敏度较低，根据磁铁的设计，这是本应用说明中描述的唯一能够达到较大值的技术
气隙（>4 mm）和长行程（>10 mm）。

这种配置的主要缺点是需要将磁铁安装在系统中感测的移动物体上。安装磁铁的过程很昂贵，而且
磁铁的可能性从物体移位。

另外，磁角测量对外界扰动磁场敏感。

由于ATS344LSP采用了差分传感原理，该集成电路对外界磁场扰动大多不敏感。两个霍尔板（即共模场）上的类似扰动自然会被IC中使用的差分处理电路所抑制。ATS344LSP对两个霍尔板上不同的扰动保持敏感。例如，一根平行于SP封装引线的导线，距离传感器40 mm，负载500 a，将产生2 G的差分响应，将在传感器输出上观察到。但请注意，在这种情况下，一次或一次2D现场测量会感觉到25克的变化。

ATS344LSP的差分测量技术还允许使用简单且经济高效的矩形磁铁，而不是复杂且昂贵的零高斯磁铁。由于ATS344LSP中的微分计算取消了磁铁基线，因此可以使用更简单的磁铁。

使用铁磁靶和集成背偏磁集成电路有许多优点，也有一些必须考虑的折衷。主要的权衡与
操作气隙能力和IC的线性位移传感范围。这些参数受到Allegro SP封装中集成磁铁的尺寸的限制。对于SP包，
典型的最大气隙约为2 mm，最大感测行程范围约为10 mm。在移动磁铁技术的情况下，气隙能力和行程范围可能会更大，代价是非常大和昂贵的磁铁，并降低对外部扰动场的免疫力。

在某些应用中，要雷竞技最新网址感测的运动物体是一个轴，该轴将线性位移，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
覆盖轴的全周。这也将导致过大而昂贵的磁铁。

如已经讨论过的，与安装离散磁体相比，使用ATS344LSP和钢目标以测量线性位移通常更容易且更便宜。

表1：不同线性位移测量应用架构的比较

	0 G背偏 单身 测量 （ATS341LSE公司）	移动磁铁和 磁场角度 测量（A1335）	ATS344LSP型 后偏 有差别的 测量
最大气隙 [毫米]	≈2	> 4 *	≈2
典型的中风 长[mm]	≈10	取决于 动磁铁 多达数十个 毫米*	≈10
典型 精确	中等	高*	中等
校准 里面 应用	推荐的	可以避免的	推荐的
免疫 到外部 扰动场	低	低	高
磁铁	综合 复杂形状	取决于 应用	综合 简单的形状
目标	铁磁性的	永久的 磁铁	铁磁性的
目标 安装	容易的	难	容易的

*具有良好的气隙性能、远距离和/或良好的精度总是以大而昂贵的移动磁铁为代价。

表1中的数据仅为典型值。有关特定应用程序的更多详细信息，请联系当地Allegro工程师。

典型应用实例

请注意，以下所有结果都来自模拟，可能与真实世界的结果略有不同。

在本例中，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，请考虑典型的应用要求以下要求：

• 静态气隙：1.35±0.45 mm
• 动态气隙：±0.05mm
• 温度范围：-40至150°C
• 旅行范围右：10毫米
• 2点校准由用户在线性行程的端点进行：在这些位置预期10/90%PWM输出

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，磁场不随应用气隙线性减小（图4）。因此，使用直V形靶（图9）本质上会导致雷竞技最新网址
一种非线性差分传感器的输出和精度误差。这种误差称为目标固有非线性。

然而，目标形状优化可以补偿这种内在的非线性。事实上，在空气间隙很小的情况下，磁场会迅速减小，而在空气间隙很大的情况下，磁场减小的速度要慢得多。因此，在V形中间具有较大斜率的目标（即霍尔板实际感测到较大气隙的位置）可以补偿非线性磁场行为。

适当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（偏移漂移温度，灵敏度漂移
温度等）。

图10示出了应用例的最佳目标的横截面图。目标长度我选择了14 mm，不仅适合行程范围和
两个门厅板（3 mm），但也有关于V形端点的余量。为了避免从V形区域外的平坦区域进行错误的测量，需要该余量。这里留了1毫米的边距。目标长度L由下式给出：

l≥r+ 4 mm

对于V形高度，建议值在2到4 mm之间（图10中显示了3.5 mm）。高度小于2毫米将导致较小的差分场，从而导致
较高的位置不准确。大于4毫米的高度不会显着增加该场，因为铁磁材料离传感器太远。

图11显示了ATS344LSP传感器在该最佳目标与目标轴向位置N和与气隙之间的差分场。可以看出，在标称应用气隙（1.35 mm）和大气隙处，差分场是线性的，但在小气隙处，差分场明显偏离。这是有意为之的：在较小的气隙处，传感器感应到的微分场要高得多（图12），这使得传感器对测量误差（主要是IC偏移漂移）的敏感度要低得多。因此，为了在小间隙和大间隙下获得类似的精度性能，必须进行折衷。在小气隙时，误差主要来源于目标的固有非线性；在大气隙时，误差主要来源于传感器的测量误差。

现在，将评估此应用程序示例的预期精度。为了获得实际值，进行了蒙特卡罗统计分析。在这个模拟中，数以千计的实际案例根据其统计分布规律，针对不同的应用参数（例如，安装气隙和传感器偏移误差）进行建模。对于每种情况，评估传感器输出精度。

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。这个
考虑的寿命偏移量为±12 G（基于在类似产品上进行的降低温度循环试验；该数值将由ATS344LSP上的未来试验确认）。

假设以下机械分布用于执行蒙特卡罗分析：

参数	分配	平均值[mm]	标准 偏差[mm]
安装 气隙	高斯分布	1.35	0.15
最大动态 气隙	高斯分布； 只有正面的 保留值	0	0.05 / 3.

图13显示了在评估所有模拟案例的完整旅行范围内的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，传感器误差和目标内在非线性。传感器误差包括温度，偏移和灵敏度漂移，传感器分辨率和非线性的偏移和灵敏度漂移。请注意，％FS（％满量程）代表完整的线性旅行范围的百分比。

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

平均误差约为4.9%FS，标准偏差约为1.3%FS。从误差分布分析来看，大约3000 ppm的样品有一个最大误差
大于9.4%FS或0.94 mm。

虽然没有执行输出线性化来补偿目标的固有非线性，但传感器的最终精度相当好。

图14示出了对于一个随机仿真情况，传感器输出的预期包络相对于所有变化的参数。

图15显示了典型测量误差与安装气隙的关系。如预期，最小误差在标称气隙附近，曲线近似对称
相对于安装气隙范围（0.9至1.8 mm）。

结论

雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems ATS3444LSP磁性反向偏置差分线性传感器IC在测量目标或轴的线性行程位置时提供独特的优势。与传统的零高斯背部偏置线性IC相比或磁性相比角度传感器集成电路ATS344LSP通过感应移动的磁铁提供：

• 从客户系统中消除磁铁
• 铁磁靶的简易集成
• 对外部扰动场的灵敏度很低

因此，建议使用ATS344LSP：

• 在恶劣的磁场环境中，
• 为了简化目标安装（降低成本），
• 提高应用中目标夹具的机械可靠性。

有关如何的详细信息ATS344LSP型将在特定应用中执行，联系当地的Allegro应用工程师.