中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。而导致磁偏现象的根本原因是，地球本身就是一个天然的巨大磁体，叫做地磁场。千百年来，人类对磁场的研究和利用诞生了大量的科技创新，从我们伟大中华祖先的四大发明之一——指南针。
到今天广泛应用的霍尔效应（Hall Effect）传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和隧道磁阻（TMR）传感器。在当今的位置检测技术中，各向异性磁阻薄膜材料变得日益重要，基于AMR传感器的应用已经非常广泛。相比传统技术，磁阻位置测量具有多种优势。可靠性、精度和整体鲁棒性是推动磁阻检测技术快速发展的主要因素。本文将以ADI公司的AMR产品为例，分析各向异性磁阻传感器的特性及应用。
AMR技术的几种常见配置
AMR技术可以用来检测线性位置和旋转位置。有多种不同类型的磁体配置可与AMR角度传感器配合使用，包括线性、离轴、轴尾等配置方式。
对于线性应用，磁体必须与传感器位于同一平面，如图1所示。磁体的红边和蓝边表示北极和南极的定向。该定向是可以互换的，因为AMR传感器不区分北极和南极。为了从AMR传感器获得最佳线性响应，传感器的中心和磁体的中心彼此相距距离必须等于磁体长度的一半。
图1. 线性磁体配置。
旋转测量的一种磁体配置是使用一个磁极环。图2所示为理想的磁极环。彩色区域表示AMR传感器感知到的外磁场定向。类似于线性测量，要获得线性响应，磁极环必须与传感器处于同一平面，并且二者间的距离为磁极长度的一半。在整个机械旋转过程中，这类磁体配置下的传感器响应将重复多次，重复次数与磁极数量相等。对于图2中的磁极环，共有5个北极和5个南极，传感器可以感知到10个磁极。对于图中所示磁极环，每旋转一次，AMR传感器输出就会重复10次，因此，可以提供36°的绝对信息。
图2. 离轴磁体配置。
轴尾配置是另外一种常见的配置，在轴尾磁体配置中，一个已经径向磁化的偶极磁体位于旋转轴的尾部。传感器位于旋转轴和磁体的下方。在该机械设置中，径向磁体的北极和南极
在磁体中心上方形成一个均强磁场。随着磁体和轴旋转，磁场也开始旋转。传感器如此放置是为了均强磁场始终与检测元件处于同一平面。图3所示为轴尾磁体配置。
图3. 轴尾磁体配置
集成式AMR角度传感器
轴尾磁体配置非常适合无刷直流电机定位和控制，集成式AMR角度传感器ADA4571即是这样一款器件。多数闭环无刷直流电机控制使用霍尔传感器来提供转子位置反馈，用以确定线圈换向的正确位置。这些传感器的精度各不相同，但一般都在5°至10°之间。为了实现更平滑、更高效的电机响应，减少扭矩波动，需要更精确的电机角度信息。以ADA4571为例，ADI的AMR传感器的机械精度典型值为±0.1°，最大值为±0.5°。
通过更加传统的增量编码器，也可使精度达到这一水平。然而，在启动、卡止错误和环境影响时对于增量编码器来说问题表现地更加突出。ADI AMR传感器可提供启动或卡止条件下的绝对位置信息，而不受电机位置影响。借助这个绝对位置信息，可以更好地控制扭矩，使电机启动时更加平顺，还能提高电机启动效率和卡止时的性能。
作为一款各向异性磁阻传感器，ADA4571具有独特的高集成度，在一个封装内集成两个芯片，即一个AMR传感器和一个固定增益（标称值G = 40）仪表放大器和ADC驱动器。ADA4571产生两路模拟输出，指示周围磁场的角位置。因此，ADA4571可提供有关旋转磁场角度的干净且经过放大的余弦和正弦输出信号，输出电压范围与电源电压成比例。
ADA4571这款新型传感器经过汽车应用认证，可以直接测量电机位置，可有效降低噪声、优化平滑度和扭矩性能，有助于无刷直流(BLDC)达到最加严格的环境、噪声和能耗要求。可在广泛的电机应用中实现直接、非接触式和无磨损的角度测量，包括电动辅助转向、制动、主动式悬架、稳定性控制等汽车系统。
ADI AMR传感器采用惠斯登电桥配置，与单一阻性元件相比，它支持更宽的输出电压摆幅，还能抑制较大的直流失调。AMR测量解决方案，可用于角度或线性位置测量。图4所示为基于ADA4571的磁阻角度和线性检测系统，该方案在180°范围内具有优于0.2°的角精度，在0.5英寸范围内具有2mil线性精度，具体取决于所用磁体的尺寸。该电路适用于高速、高精度、非接触式角度和长度测量关键型应用，比如机床速度控制、起重机角度控制、无刷直流电机和其他工业或汽车应用。
图4. 基于ADA4571的磁阻角度和线性检测系统。
AMR传感器在汽车中的应用
在自动驾驶汽车快速发展的今天，汽车电气化趋势逐渐朝着半自动驾驶和全自动驾驶发展。其中，为了让电子转向助力(EPS)和电子制动系统满足必要的安全标准，磁阻位置传感器产品和基于分流器的电流检测放大器产品可以在里面发挥积极作用，它们可使EPS和电子制动系统中使用的无刷电机实现高性能换相和安全运行。
在EPS或其他安全性关键电机控制应用中，可以将双重AMR电机位置传感器和ADI的电流检测放大器集成到这样的系统中，提供所需的性能等级和冗余，从系统级别实现ISO 26262 ASIL D合规性。
图5. 适用于安全性至关重要的应用的电机位置和相电流检测结构示例
ADA4571-2双AMR传感器专为需要冗余和独立检测通道的这类安全性至关重要的应用而设计。此双通道AMR传感器集成了信号调理放大器和ADC驱动器，包括两个AMR (Sensitec AA745)传感器和两个放大器信号调理ASIC。该传感器提供非常低的角度误差信号，通常在0.1度范围内，具备可忽略的迟滞、高带宽、低延迟和良好的线性度。这些特性能够帮助减少转矩波动和可听到的噪声，帮助实现顺畅、高效的BLDC电机控制。此外，AMR传感器在饱和>30 mT条件下工作，没有磁场窗口上限，而且传感器在高磁场条件下运行，因此解决方案能够经受严苛环境下的杂散磁场。
磁传感器迎来应用增长期
据市场调研公司MarketsandMarkets预测，全球磁传感器市场规模预计将从2015年的22.5亿美元增长至2022年的41.6亿美元，2016~2022年间的年复合增长率为8.87%，增长势头强劲。2017年全球磁传感器市场，除传统霍尔磁传感器外，AMR磁传感器占据了26.6%的市场份额。随着工业自动化、自动驾驶汽车等领域的快速发展，以及集成化、高精度技术进步，AMR磁传感器应用正迎来新的增长机遇。
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