系統(tǒng)仿真

　　要開發(fā)傳感器系統(tǒng)，首先必須對(duì)預(yù)期的磁輸入信號(hào)有一個(gè)總體了解。首先要了解編碼器輪和傳感器頭上永磁體的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，以及預(yù)期尺寸和公差。通過 ANSYS 方法進(jìn)行 FEM 仿真可確定磁場。這里就有對(duì)編碼器輪、傳感器元件和磁體進(jìn)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(qiáng)度。圖 6 是傳感器橋上的磁輸入信號(hào)與距離呈函數(shù)關(guān)系的三維圖示。很容易看出輸入信號(hào)呈正弦曲線，信號(hào)振幅隨距離增加而明顯減小。除了距離之外，位置偏離也會(huì)導(dǎo)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(hào)振幅也會(huì)減小。根據(jù) FEM仿真方法，這樣也可將機(jī)械規(guī)范轉(zhuǎn)化成預(yù)期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會(huì)導(dǎo)致偏移，這同樣會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。FEM 仿真也可以預(yù)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(yīng)的直接結(jié)果。這樣，磁場仿真的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致代表信號(hào)處理中輸入信號(hào)的電阻發(fā)生變化。對(duì)模擬前端進(jìn)行建�？刹捎� Simulink。這種行為模型是概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，標(biāo)志著產(chǎn)品開發(fā)的起點(diǎn)。每個(gè) Simulink 塊對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)。HDL 設(shè)計(jì)則仿真通過數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)的功能，而且在完成產(chǎn)品開發(fā)之后就會(huì)最終成形。因此，整體系統(tǒng)仿真是 Simulink 對(duì)模擬組件的行為模型以及ModelSim 對(duì) HDL 設(shè)計(jì)的共同仿真(圖8)�？赏ㄟ^仿真從概念階段順利過渡到HDL 設(shè)計(jì)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(xiàng)驗(yàn)證 HDL 設(shè)計(jì)。可持續(xù)進(jìn)行此過程，直到在 Verilog 中實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì) IC 評(píng)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(cuò)誤的框架。這些工具的主要好處在于，能夠更快速、更準(zhǔn)確地答復(fù)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(hào)模擬

圖 7 為確定可容許的位置公差而進(jìn)行的磁場計(jì)算

圖 8 模擬前端和數(shù)字塊的共同仿真

　　結(jié)論

　　通過此項(xiàng)建模，可以分析與輸入信號(hào)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(hào)。此信號(hào)是有限元件仿真結(jié)果，之后 AMR 效應(yīng)可將此信號(hào)轉(zhuǎn)化成傳感器橋的電輸出信號(hào)。中間的圖表是模擬信號(hào)處理的結(jié)果。下面一張圖表顯示輸出信號(hào)。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(yùn)行情況。圖 10 顯示的是ModelSim 中的信號(hào)圖象實(shí)例。

　　通過MATLAB 進(jìn)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(dòng)化。然后可以使用大量算法在 MATLAB 中進(jìn)行信號(hào)仿真。例如，對(duì)所需系統(tǒng)和信號(hào)參數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅 (Monte Carlo) 仿真，隨后進(jìn)行自動(dòng)化分析。

　　通過 FEM 仿真器(例如 NASYS)，可以擴(kuò)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(kuò)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(gè)工具鏈。

圖 9 模擬結(jié)果：電輸出信號(hào)比對(duì)磁輸入信號(hào)

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(yīng)用中都采用基于 AMR 效應(yīng)的現(xiàn)代智能傳感器。對(duì)傳感器系統(tǒng)的要求自然會(huì)因應(yīng)用而異。在部署整個(gè)系統(tǒng)之前先進(jìn)行系統(tǒng)仿真可確保各項(xiàng)功能符合規(guī)范。假設(shè)發(fā)現(xiàn)磁變量、機(jī)械變量和電變量之間存在復(fù)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(shí)需要結(jié)合使用不同工具，每件工具都是針對(duì)特定任務(wù)的最佳解決方案。因此使用磁場仿真器來確定磁輸入信號(hào)，同時(shí)Simulink對(duì)模擬輸入進(jìn)行仿真。HDL設(shè)計(jì)之后對(duì)模擬部件進(jìn)行數(shù)字控制仿真。最終整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面仿真。建模已成為預(yù)開發(fā)的一部分，并隨著產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程不斷優(yōu)化改進(jìn)。最后就會(huì)得到經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)符合產(chǎn)品規(guī)范的設(shè)計(jì)，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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