GMR 轮速传感器如何帮助推进车辆控制和制动系统

通过对牵引力控制 (TCS) 和高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 的高度精确反馈，制动系统的用途已从简单的停止演变为车辆安全的关键功能。这些进步之所以成为可能，部分原因是磁轮速传感技术的发展。

用于磁传感的集成电路已经从简单的 100 个晶体管设计发展到包含数十万个晶体管的设计。霍尔效应是传感器设计中常用的传感器技术。霍尔传感器与处理电路连接，以产生代表速度或速度和方向的开关方波，用于制动控制单元的处理算法。基于霍尔效应的轮速传感器已帮助将制动系统技术从标准的防抱死制动 (ABS) 功能转变为牵引力控制（即防滑）和全稳定性控制（车辆机动性）。

霍尔效应由埃德温·霍尔爵士于 1879 年发现，指的是当电流流过处于磁场中的导电板时产生的电压。产生的电压与施加的电流和磁场垂直并成正比。该霍尔电压的幅度很小并且容易受到温度变化的影响。因此需要特殊的信号处理才能有效地将其集成到传感器 IC 中。

轮速传感器将霍尔传感器单片集成在带有信号调节电路的单个硅基板上。这些加上补偿算法为控制单元提供可靠的输出方波。霍尔 IC 要么与反向偏置磁铁结合使用以感应铁磁目标（例如铁基齿轮），要么 IC 直接感应磁性编码器环（又名环形磁铁），也分别称为反向偏置 (齿轮）或前偏置（环形磁铁）。

霍尔效应轮速传感器提供低至十分之一度的边缘精度，传感器和目标之间的气隙通常在 1 到 2 毫米范围内。这种精度对于当今的大多数制动系统来说已经足够了，但对于远远超出快速发展的牵引力控制的驾驶员辅助系统来说却是不够的。

从泊车辅助到防撞，轮速传感器将有价值的数据提供回驾驶员辅助系统，使其能够在驾驶员甚至看到迎面而来的危险之前决定最佳的车辆操纵方式。对驾驶过程自动化的日益增长的需求正在定义轮速传感技术的未来。

ABS 等汽车速度传感应用可能使用具有交替南北磁化的磁性材料环。GMR 传感器可以放置在这种材料下，使得管芯的平面是水平的。四个惠斯通电桥连接的 GMR 电阻器元件之间的间距会根据环形磁体在其旋转周期中的位置产生由这些元件组感测的差分磁场。

信号调理

尽管霍尔效应满足了当前的需求，但驾驶员辅助系统需要在传感器与被检测目标之间的气隙距离相似或在某些情况下更大的情况下具有更高的精度。巨磁阻 (GMR) 是满足这些增强要求的有力候选者。前偏置磁性编码器环是当今轻型车辆应用中最常见的目标类型，也是 GMR 最常见的实现方式。GMR 代替霍尔效应作为传感传感器。原则上，GMR 和霍尔都是磁传感器，但两者的基本操作和能力不同。

据说开尔文勋爵在 1857 年就观察到了磁阻，但 GMR 是在 1988 年霍尔效应之后的一个多世纪中由 Albert Fert 和 Peter Grünberg 发现的，因此他们在 2007 年获得了诺贝尔奖。GMR 效应的基本原理是基于电子自旋。在磁电阻器中，电子散射率的上升或下降是电子自旋态和电子行进介质的磁取向相互作用的函数。电子散射增加了电子流的平均自由程，有效地改变了介质的电阻。简而言之，GMR 换能器的电阻会在存在磁场的情况下发生变化。

早期的 MR 技术限制了感应角度、线性范围和灵敏度。Allegro 最先进的专利 GMR 技术克服了这些限制，提供更大的范围和更高的灵敏度。感应方向允许 GMR 传感器成为霍尔效应传感器的直接替代品。

GMR 效应的基本原理是基于电子自旋。在磁电阻器中，电子散射率的上升或下降是电子自旋态和电子行进介质的磁取向相互作用的函数。电子散射增加了电子流的平均自由程，因此 GMR 换能器的电阻会在存在磁场的情况下发生变化

从历史上看，GMR 与霍尔效应传感器的相位相差 90°，因此很难更换技术。早期 MR 设计中出现的另一个问题是在紧密气隙处的信号不连续性。信号扰动直接与较高的边缘抖动相关，从而降低轮速传感器的输出精度。近十年来，我们已经花了近十年的时间来克服目前可用的轮速传感器中的信号不连续性，例如 Allegro 的 A19250 和 A19350 GMR 轮速传感器。除了低抖动之外，这些传感器还提供大的工作气隙，远远超出霍尔传感器的能力。

与霍尔效应技术一样，GMR 单片集成到带有信号调节电路的单个硅基板上。然而，由此产生的 GMR 信号的幅度高于霍尔信号，具有更高的信噪比和十分之一的抖动。这些特性让 GMR 传感器能够以更大的气隙感应物体。

GMR 信号的幅度比霍尔传感器的信号幅度大，信噪比也大得多。

GMR 传感器的线性范围通常跨越 100 高斯范围内的峰间磁信号幅度。

霍尔传感器的磁性设计范围规定最小工作磁场水平为 20 高斯 (2 mT) 差分峰峰值。相比之下，基于 GMR 的传感器具有 5 高斯 (0.5 mT) 或更低的峰峰值差分的最小工作场电平。比较精度，霍尔能力在 1.0 到 2.0 毫米典型气隙处的边缘精度为十分之一度，而 GMR 的能力在 3.0 毫米或更大的典型气隙处边缘精度为百分之一。

GMR 确实需要更严格的设计条件。这些技术之间的一个区别是霍尔处理更大磁场的能力。这是灵敏度的函数，也是设计过程的关键部分。GMR 具有定义的线性范围，理想的峰峰值磁信号幅度在 100 高斯范围内。

GMR 设备，如那些采用霍尔效应的设备，将在磁性设计范围之外运行而不会造成永久性损坏。但是，根据信号处理算法，性能可能会下降。任何一种技术都可能出现这种退化，但 GMR 高灵敏度水平是以在更高磁场水平下性能退化为代价的。GMR 传感器可能遭受永久损坏的磁场强度和温度远高于轮速应用中的预期值，因此它们不是什么大问题。主要的设计考虑是利用 GMR 技术优化磁路以获得卓越的性能。

总而言之，最先进的 GMR 技术在实现当今高度精确的先进制动系统方面发挥了重要作用。车辆响应非常平稳，驾驶员几乎没有注意到它。GMR 技术将在半自动和全自动汽车中发挥类似的作用。