系統(tǒng)仿真

　　要開發(fā)傳感器系統(tǒng)，首先必須對預期的磁輸入信號有一個總體了解。首先要了解編碼器輪和傳感器頭上永磁體的標準規(guī)格，以及預期尺寸和公差。通過 ANSYS 方法進行 FEM 仿真可確定磁場。這里就有對編碼器輪、傳感器元件和磁體進行建模的問題(圖 5)。然后便可根據(jù)傳感器元件和編碼器輪之間的距離，確定與之呈函數(shù)關(guān)系的磁場強度。圖 6 是傳感器橋上的磁輸入信號與距離呈函數(shù)關(guān)系的三維圖示。很容易看出輸入信號呈正弦曲線，信號振幅隨距離增加而明顯減小。除了距離之外，位置偏離也會導致振幅減小。例如，如果傳感器頭不在編碼器輪前面的中心位置，那么信號振幅也會減小。根據(jù) FEM仿真方法，這樣也可將機械規(guī)范轉(zhuǎn)化成預期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會導致偏移，這同樣會影響系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。FEM 仿真也可以預估其造成的影響(圖 7)，而且結(jié)果可直接轉(zhuǎn)化為可容許的位置公差。

　　確定磁場之后是傳感器系統(tǒng)仿真。AMR 元件的電阻變化是各向異性磁阻效應的直接結(jié)果。這樣，磁場仿真的結(jié)果會導致代表信號處理中輸入信號的電阻發(fā)生變化。對模擬前端進行建�？刹捎� Simulink。這種行為模型是概念設計的產(chǎn)物，標志著產(chǎn)品開發(fā)的起點。每個 Simulink 塊對應一個模擬信號處理組件，例如放大器或過濾器。但是，尚未考慮模擬組件的控制部分，這由數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)。HDL 設計則仿真通過數(shù)字方法實現(xiàn)的功能，而且在完成產(chǎn)品開發(fā)之后就會最終成形。因此，整體系統(tǒng)仿真是 Simulink 對模擬組件的行為模型以及ModelSim 對 HDL 設計的共同仿真(圖8)�？赏ㄟ^仿真從概念階段順利過渡到HDL 設計及后續(xù)階段。在共同仿真中，可用 ModelSim 中部署的 Verilog 代碼逐漸代替 Simulink 參考模型，從而可逐項驗證 HDL 設計�？沙掷m(xù)進行此過程，直到在 Verilog 中實現(xiàn)整個數(shù)字部件，而模擬系統(tǒng)部件仍保持為 Simulink模型。此工具組合也已證明對 IC 評估同樣有用。自始至終使用這種工具可以更容易理解 IC 行為，并可創(chuàng)建用來分析和解釋任何錯誤的框架。這些工具的主要好處在于，能夠更快速、更準確地答復客戶的查詢，以及更好地了解與環(huán)境條件相關(guān)的傳感器功能。

圖 6 與傳感器頭和編碼器輪間距離呈函數(shù)關(guān)系的磁輸入信號模擬

圖 7 為確定可容許的位置公差而進行的磁場計算

圖 8 模擬前端和數(shù)字塊的共同仿真

　　結(jié)論

　　通過此項建模，可以分析與輸入信號呈函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)行為。圖 9 中的第一張圖表顯示通過改變傳感器和編碼器輪之間的距離而產(chǎn)生的磁輸入信號。此信號是有限元件仿真結(jié)果，之后 AMR 效應可將此信號轉(zhuǎn)化成傳感器橋的電輸出信號。中間的圖表是模擬信號處理的結(jié)果。下面一張圖表顯示輸出信號。此器件使用 A 7/14/28 mA 協(xié)議。這種協(xié)議可用來傳送額外信息，例如感測旋轉(zhuǎn)或氣隙長度。除了這些結(jié)果之外，也可以檢查數(shù)字控制的運行情況。圖 10 顯示的是ModelSim 中的信號圖象實例。

　　通過MATLAB 進行仿真控制并結(jié)合其他仿真器可創(chuàng)造更多選擇。首先，例如可使模擬自動化。然后可以使用大量算法在 MATLAB 中進行信號仿真。例如，對所需系統(tǒng)和信號參數(shù)進行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨后進行自動化分析。

　　通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴展所仿真的系統(tǒng)組件，甚至包括 MR 傳感器頭和相關(guān)編碼器，從而將系統(tǒng)視圖擴展到傳感器周圍直接相關(guān)的區(qū)域。圖11 顯示的是用于此目的的整個工具鏈。

圖 9 模擬結(jié)果：電輸出信號比對磁輸入信號

圖 10 數(shù)字系統(tǒng)元件的仿真

圖 11 完整的仿真鏈

　　總結(jié)

　　許多汽車應用中都采用基于 AMR 效應的現(xiàn)代智能傳感器。對傳感器系統(tǒng)的要求自然會因應用而異。在部署整個系統(tǒng)之前先進行系統(tǒng)仿真可確保各項功能符合規(guī)范。假設發(fā)現(xiàn)磁變量、機械變量和電變量之間存在復雜的相互影響，只用一件簡單的仿真工具不能解決問題。此時需要結(jié)合使用不同工具，每件工具都是針對特定任務的最佳解決方案。因此使用磁場仿真器來確定磁輸入信號，同時Simulink對模擬輸入進行仿真。HDL設計之后對模擬部件進行數(shù)字控制仿真。最終整個系統(tǒng)實現(xiàn)全面仿真。建模已成為預開發(fā)的一部分，并隨著產(chǎn)品開發(fā)的進程不斷優(yōu)化改進。最后就會得到經(jīng)過驗證確認符合產(chǎn)品規(guī)范的設計，以及可用來解決后續(xù)問題的模型，作為市場支持的一部分。

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