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

**1. **磁阻效應

(資料圖片)

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的影響。這種固態磁阻效應或各向異性磁阻（AMR）可以在薄膜技術中輕松實現，從而可以生產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設計提供了理論基礎。

**2. **磁阻技術進行角度測量的理論

磁阻傳感器利用了磁阻效應，這種效應是載流磁性材料在外部磁場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

假設當不存在外部磁場時，坡莫合金具有內部磁化矢量M平行于電流（α= 0）。如果是外部磁場平行于坡莫合金平面但垂直于電流，則坡莫合金的內部磁化矢量將旋轉一個α角度。結果是，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。從等式（1）可以明顯看出場關系是非線性的。當外部磁場足夠大，坡莫合金內部磁化矢量M將緊緊跟隨外部磁場的向量H，如此，內部磁化矢量M與外部磁場的向量H相互平行。

通常，外部磁場是由永磁體產生的，如samarium-cobalt (SmCo)類型。可利用坡莫合金和外部永磁體構建角度測量系統，如圖2所示，其中永磁體固定在旋轉軸上，永磁體轉過的角度即為旋轉軸轉過的角度，坡莫合金做成磁阻角度測量傳感器固定在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，四個坡莫合金條以惠斯通電橋結構排列，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

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

圖4. 單個惠斯通電橋傳感器的輸出信號

通過使用雙橋結構，可以將有限的角度范圍擴展到180°測量范圍。如圖5所示。

圖5：雙惠斯通電橋傳感器的輸出信號

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

**3. **磁阻角度測量傳感器

圖6. 某磁阻角度傳感器的電路架構

如圖6所示，為某公司提供的磁阻角度傳感器的電路架構。該傳感器元件由兩個交錯的惠斯通電橋構成，如綠色方框圖，用于余弦和正弦信號，以及用于控制和信號放大的輔助功能。溫度補償電路（紅色）生成與絕對溫度成比例的參考電流，U / I轉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傳感器橋的電源電壓，以通過電源緩沖器（藍色）補償其溫度系數（TC）。對于噪聲和EMC抑制，實施了橋式電源的低通濾波。電橋輸出電壓通過恒定因子放大，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系，以電源電壓VCC=3.3V為例，Vout1和Vout2的輸出信號如圖7所示。VTEMP引腳提供與溫度相關的輸出電壓（紫色）。TCC_EN引腳用于通過功能控制塊啟用或禁用溫度系數補償。POWERDOWN_EN引腳用于將設備切換到掉電模式，并將輸出VOUT1和VOUT2設置為高阻抗。VTEMP引腳將通過內部電阻拉至GND接地電平。如果不使用，應將其連接到GND電位。磁阻角度傳感器內部采用了斷線檢測（棕色），并在故障出現時，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Vout1和Vout2

圖8. 磁阻角度傳感器的測量系統

如圖8所示，磁阻角度傳感器用于電機角度和速度測量。磁阻角度傳感器的兩個輸出信號連接到控制單元（ECU）的AD轉換器，根據這兩個信號進行電機角度和速度的計算。使用的磁阻角度傳感器可獲得高精度的信號值，并具備以下幾點優勢：

-. 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，使得電機結構的設計可以非常緊湊。

正如前面提到雙惠斯通電橋磁阻角度傳感器有效測量范圍為180°，因此，它主要應用于極對數為偶數的電機角度和速度測量。對于奇數數量的極對的電機，轉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量的角度。

圖9.角度測量曲線

**4. **磁阻角度傳感器的技術優勢

由于磁阻效應是一個角度效應，它非常適合用于非接觸式角度測量系統。坡莫合金帶的電阻大小隨帶中內部磁化矢量和流過帶的電流矢量之間的夾角變化而變化。因此，為了實現精確的測量，唯一要滿足的條件是坡莫合金的內部磁化矢量必須實時跟隨外部磁場矢量。當使用比內部磁化強度高得多的外部磁場強度時，可以確保這一點。利用坡莫合金的磁阻效應測量旋轉角度和速度，具備以下優勢：

-.磁漂移的獨立性

-.磁漂移與溫度無關

-.獨立于機械裝配公差

-.由熱應力引起的機械位移的獨立性

此外，具備與所有其他非接觸式測量系統相同的優勢：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械破壞方面堅固耐用。所有這些優點使得磁阻角度測量系統成為非常可靠、精確但又具有成本效益的角度測量解決方案。