三轴Hall位置传感器的磁铁选择和设计

时间： 2016-03-21 来源：Melexis（世强翻译）

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本文提供MELEXIS三轴霍尔MLX90316的磁铁选型指导。该产品主要是应用于轴末端的圆形磁铁，文内并比较性能与离心率（磁铁的旋转中心与霍尔芯片的感应区域轴偏移）带来的影响。

注：贯穿轴或者空心轴磁路的描述不适应本文。

MLX90316 与磁铁的相对位置示意图

图1： MLX90316 与磁铁的相对位置示意图

三轴旋转位置传感器检测两个平行于芯片表面的正弦分量，如图1所示是典型的轴末端应用示例，磁铁在芯片上面旋转。当磁铁旋转时，两个分量的磁场密度（Bx、By）描绘出来就是一条正弦与余弦波形(图2)。该芯片带有一个内部集成的DSP（数字信号处理）电路，将原始信号通过反正切Vy/Vx运算，最后可以直接输出线性的角度信息。

图2 ：Bx 与 By

机械描述

旋转轴、磁铁位置及传感器的机械位置是否对齐直接影响到测量精度。相对于理想的正弦与正切输出曲线，机械对齐错误（图3）会造成额外的静态偏差，相位偏移，幅度改变及非线性误差。

然而，静态偏移、相位与幅度容易在芯片层面进行校准与补偿。在XY平面的轴偏离（在传感器与旋转磁铁之间），理论上可以通过输出转移特性线性化来补偿。在大部分的情况下，最佳的解决方案是选择一个足够大的磁铁来限制线性容差，以满足预定义的机械容差。

MLX90316角度检测的机械设置

图3 ：MLX90316角度检测的机械设置

磁铁与传感器之间的最小距离需要根据饱和影响来定（电气或磁场），最大距离需要根据信号输出或者信噪比来定。MLX90316内部集成了自动增益控制（AGC），会根据磁场的大小自动调整输出幅度。增益越大，噪声越大。

轴偏离半径与磁铁直径

由于产品的加工误差，机械运动，振动等引起的轴偏移将会导致输出角度信号非线性误差。图4显示了一个给定的圆盘形磁铁D15H4的非线性误差。磁铁表面与MLX90316感应区域的间隙为5mm。

图4 ：磁铁D15H4 线性错误

通过增加磁铁的直径可以减少由于轴末端对齐所产生的角度错误。图5帮助计算所需要的磁铁直径。给定的加工容差加上生命周期内的磨损，是否超过预定义的非线性度（角度错误）。

例如：由于产品加工误差（包括生命周期内的磨损），如果最大的离心率是0.5mm，最大的允许非线性误差为0.2度（360的0.05%），则10mm直径的磁铁是最佳选择。然而，磁铁的选择并不是越大越好，大的磁铁会导致以下结果：

1、大的磁铁磁均匀度较差。

2、强磁场要求更的大传感器与磁铁之间的距离，来避免磁饱和影响。（磁场强度保持在70mT以下）。

3、大的磁铁更贵。

图5 ：角度错误VS 不同的磁铁轴偏移

通常来讲，在要求非线性度小于1度时，磁铁的直径必须比最大的轴偏移大10倍。在要求非线性度小于0.3度时，磁铁的直径必须比最大的轴偏移大20倍。

传感器与磁铁之间的距离——气隙

磁铁的选择还应该根据给定应用中气隙的范围（轴距）来定。对于芯片来讲，磁场强度应该在20到70mT之间（即45mT±25mT）。

传感器与磁铁之间的距离太小，将会增加电气或者磁场的饱和。不合格的磁材料将会在磁铁的表面产生磁热斑点，影响局部的磁场偏差，并导致额外的角度错误。因此，我们建议用户不要使用大尺寸的粘合铁氧体材料。

MLX90316的磁饱和接近80mT，如果应该磁场超过80mT有可能会损坏器件或者产生磁滞影响。较大距离应用时将会减少信噪比。

图6 ：磁场强度VS 传感器与磁铁的距离

图6显示了磁场强度与距离的关系。根据直径为6mm高2.5mm的SmCo磁铁（D6H2）测量出来。最佳的磁场强度(20-70mT)对应的2-5mm的气隙。

磁铁与材料性能

一些常用的磁铁如下：

表1：常见磁铁性能列表

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Keil Lv7. 资深专家 2018-12-17

学习了
大周 Lv5. 技术专家 2017-12-27

好东西，学习，收藏
游来游去 Lv8. 研究员 2017-11-27

学习

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