Analogtipp AMR-Sensoren: Positionen hochpräzise messen

Neben optischen Sensoren, Hall-Sensoren und Winkelgebern sind magnetische Sensoren eine elegante Lösung, Positionen in vielen verschiedenen Anwendung hoch präzise zu messen. Ein Überblick zu den Messmethoden bei AMR-Sensoren.

Heute gibt es viele Methoden Positionen zu messen. Neben optischen Encodern, Hall-Sensoren und Winkelgebern (Resolver) finden magnetische Sensoren Anwendungen. Neben GMR- (Giant Magnetoresistance, großer magnetoresistiver Effekt) und TMR- (Tunnel Magnetoresistance, magnetischer Tunnelwiderstand) gibt Sensoren, die auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR) basieren, auf die ich in diesem Artikel näher eingehe.

Ein AMR-Sensor (hier am Beispiel des ADA4570 beschrieben) nutzt die Tatsache, dass bei ferromagnetischen Werkstoffen der elektrische Widerstand abhängig von der Magnetisierungsrichtung ist. Dieses Phänomen wurde von William Thomson (Lord Kelvin) um 1851 entdeckt.

Prinzipiell kommen verschieden Messungen in Frage, wobei die Position von sich bewegenden und rotierende Elementen gemessen wird. Bei linearen Messungen wird für eine optimale Auflösung des Sensors dessen Zentrum so platziert, dass das Zentrum des Magneten mittig und in derselben Ebene ist. AMR-Sensoren können nicht zwischen Nord und Südpol unterscheiden, daher ist die Positionierung des Magneten nicht änderbar.

Für rotierende Elemente sind sogenannte „Off Shaft“ oder „End of Shaft“-Konfigurationen üblich. Im Beispiel für die Off-Shaft-Konfiguration (Bild 1) gibt der Sensor für jeden vorhandenen Pol die absolute Information wieder, das bedeutet 45° für einen 4-Pol Magneten.

Bei der End-of-Shaft-Konfiguration (Bild 1) sitzt der Sensor unterhalb eines rotierenden Elements und Magneten, dabei formen Nord- und Südpol ein einheitliches Feld über dem Zentrum des Magneten. Das Magnetfeld wird hierbei mit dem Element und Magneten gedreht.

Der Sensor ist dabei so angeordnet, dass das Magnetfeld in derselben Ebene wie das zu messende Element ist. Typisches Anwendungsfeld ist die Positionsbestimmung und Kontrolle von bürstenlosen Gleichstrommotoren. Im Fall von AMR-Sensoren, welche Winkel von 180° abdecken, muss es ein Gleichpolmotor sein; Motoren mit ungeraden Polen benötigen Informationen aus einem Bereich von 360°. Im Gegensatz zu konventionellen Hall-Sensoren, die auch in der Motorsteuerung genutzt werden, weisen AMR-Sensoren wie der ADA4570 und ADA4571 eine höhere Genauigkeit auf. Zudem reduzieren sie die Drehmomentwelligkeit und können beim Start und Stillstand absolute Positionsinformationen wiedergeben, unabhängig von der Position des Motors.

AMR-Sensorik misst den Winkel mittels zweier Wheatstone-Brücken, die 45° zueinander verschoben sind (Bild 2). Der Winkel wird mittels Sinus- und Cosinus Funktionen berechnet und repräsentiert bezogen auf den Sensor (ADA4570) die Orientierung von 0° bis 180°.

α = [arctan 2 (U_SIN/U_COS)] / 2 (Gl. 1)

Bei AMR-Sensoren wird zwischen elektrischen Winkeln und mechanischen Winkeln unterschieden. AMR sind mechanische 180° Winkelsensoren für einen magnetischen Dipol. Aufgrund der oben beschriebenen Verschiebung von 45° durch die Wheatstone Brücken, kann der absolute Winkel mittels Gleichung 1 über einen Winkel von 180° gemessen werden.

Aus dem Ergebnis entsteht durch zweimalige Wiederholung eine 360°-Messung für einen magnetischen Dipol. Die absolute Spannung und Feldstärke sind nicht entscheidend bei der Berechnung des magnetischen Winkels, wodurch das Verfahren robust gegenüber magnetischen Abweichungen und Veränderungen ist. (kr)

* Enda Nicholl ist strategischer Marketingmanager für magnetische Sensoren bei Analog Devices mit Sitz in Limerick, Irland.

(ID:49786069)