磁铁如何在同轴模式下与MPS MagAlpha传感器共同使用

之前的文章中，我们聊到了磁铁的类型以及其如何在同轴模式下与MPS MagAlpha传感器一起使用。本文将在这里探讨另一种“侧轴”模式拓扑。MPS MagAlpha传感器在IC的中心使用了一系列霍尔阵列，该霍尔元件可感应到来自旋转磁体磁场的水平矢量。这种磁场通常位于传感器上方或侧面的一对径向磁化的磁极（见图1）。

图 1：MagAlpha 传感器同轴和侧轴模式

侧轴拓扑有两种形式：一种为“标准”侧轴模式，其传感器封装表面与磁钢的旋转轴相互垂直；另一种为“正交”侧轴模式，其传感器封装表面与磁钢的旋转轴平行。与同轴模式相比，这两种设计过程中都需要更多的考虑，而MPS 磁仿真工具可以提供一种有效的方法，能在进行真正的机械设计之前对方案进行性能评估。

介绍

当将MagAlpha传感器与旋转轴一侧的磁铁协同工作时，霍尔阵列会同时看到径向磁场分量Br和切向分量Bt（或者在正交侧轴的情况下看到垂直分量Bz）。最常见的侧轴拓扑结构使用径向极化的环形磁铁（见图2）。

在这种结构中，径向场Br的大小通常大于切向分量Bt。当传感器感应到大小不相等的两个磁场时，随着磁钢的旋转，角度输出将变为非线性。所以，必须对两个场的大小进行归一化，以便传感器感应到大小恒定的旋转场矢量。MagAlpha传感器集成了偏置电流微调（BCT）寄存器，可以平衡两个磁场的场幅，从而获得线性角度响应。更多详细信息，请参考应用说明 “在侧轴贴装中使用 MagAlpha 传感器”。

图 2：径向极化的两极环周围的径向和切向磁场

经过上述微调之后，由于X轴或Y轴上的感应增益降低，传感器会感应到较低的合成磁场。在标准侧轴拓扑中，由于IC封装有一定厚度，所以传感器霍尔阵列也会离磁环表面比较远。因此，磁环设计必须留有足够的剩磁（常用BR表示），以满足传感器的最低磁场要求。由于铁氧体和塑性铁氧体磁体在200mT至300mT BR范围内的剩磁较低，它们无法很好地在侧轴模式中工作，尤其是在BCT微调引起的感应增益降低之后。

为了实现充足的磁场强度，磁环通常必须由具有较高初始剩磁的材料制成，例如烧结（约0.9T至1.4T BR）或键合聚合物（约0.6T至0.7T BR）的钕铁硼（NdFeB）。直径较大的磁环，采用键合的聚合物材料更具成本效益，但与同等尺寸的烧结环相比，键合的聚合物环的场强约为一半。所以必须调整磁环的尺寸，才能确保在选定的距离以及BCT调整后满足传感器的最低磁场强度的要求。

MagAlpha系列集成了两个用来优化侧轴模式的传感器：MA710和MA310，当磁场强度太低时，这些产品具有更高的内部增益，可适应最低15mT的最小场（大多数MagAlpha系列通常为30mT至40mT）。

仿真器工具可以支持MagAlpha系列所有磁铁类型以及传感器到磁体的拓扑。它能有效地原型化和评估不同磁铁和安装位置的传感器性能，可避免反复试验。机械和电磁公差对系统的影响也可以通过工具高级设置选项输入，以评估对角度分辨率性能的影响。

图3 显示了使用结合钕环的侧轴设计示例。环的内径为20mm，外径为30mm，高度为2mm。 在这个示例中，该环具有简单的两极径向磁化的700mT剩磁。在标准的侧轴拓扑中使用MA710传感器，传感器组件理想地放置在环形磁钢的侧面，以使霍尔阵列恰好位于磁铁高度的一半。MA710 QFN传感器封装的标称高度为0.9mm，内部霍尔阵列位于封装表面下方0.5mm处。因此可以得到垂直参数Z为0mm。

图 3：标准侧轴拓扑MA710角度传感器

使用仿真器扫描从r = 16.5mm到20mm的距离，传感器的合适位置应在r = 17mm处（见图4）。在此位置，传感器在IC封装的边缘与环形磁钢表面之间的气隙为0.5mm（满足安装最小误差），而且正切磁场BT大约为18mT（相对比较大）。径向磁场Br在大约82mT，比BT大得多，这将导致传感器输出角度非线性，需要通过BCT寄存器进行一些校正以减小径向磁场的幅度。选定r=17mm后，仿真器可以计算出该位置需要的BCT寄存器数值为200。将此值应用于传感器，可得到分辨率约为11.3位（3-sigma）的解决方案。

图 4：标准侧轴拓扑中传感器观测到的磁场与半径的仿真器图

图5 显示了仿真器总结报告。

图 5：磁钢仿真工具报告

值得注意的是，在侧轴模式下，机械公差和磁化公差对传感器线性度的影响要大得多。因此，必须考虑这些公差以确保符合最终设计期望。使用仿真器进行第一遍查找初始设置后，建议通过高级参数部分添加各种公差来执行一系列进一步的仿真器迭代。有关公差及其影响的讨论，请参见应用说明 AN142（“侧轴配置中的线性度”）
编辑：hfy