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簡介

磁感應(yīng)技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠更換隨時(shí)間推移易因各種因素（包括氧化、碎屑和物理磨損）而發(fā)生故障的機(jī)械觸點(diǎn)。磁場能夠穿透許多材料，包括塑料、玻璃纖維和非鐵磁性金屬。因此，電路可以與環(huán)境隔離，同時(shí)仍提供準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。

使用磁體進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，難以確定磁體和傳感器的合適規(guī)格及其相對放置。設(shè)計(jì)選擇因所選磁體材料、形狀和等級而異。此外，磁性材料的強(qiáng)度會隨著溫度的變化而變化。通常，需要仿真工具來輔助進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。

德州儀器 (TI) 磁感應(yīng)仿真器 (TIMSS) 提供了一種可視界面，可仿真系統(tǒng)中涉及單個(gè)磁體的典型傳感器性能，以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此工具允許用戶通過不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)進(jìn)行迭代，直到找到優(yōu)秀的設(shè)計(jì)概念。此功能可幫助設(shè)計(jì)人員大幅減少硬件修訂版本。可以一次快速比較多個(gè)器件，TIMSS 提供了能夠跟蹤大位移的模型陣列。一個(gè)主要特性是，每次仿真最多可以選擇 6 個(gè)傳感器。

本應(yīng)用簡報(bào)介紹了 TIMSS 中可訪問的支持功能和模式。這些功能和模式包括運(yùn)動(dòng)類型、磁體選擇以及參數(shù)掃描和設(shè)計(jì)比較等高級功能。

用戶界面

TIPSS 用戶界面圍繞強(qiáng)大的磁庫構(gòu)建，這些庫能夠快速計(jì)算磁體產(chǎn)生的可觀測磁場。TIMSS 仿真可讓您了解各種運(yùn)動(dòng)中的預(yù)期磁場行為，并在幾秒鐘內(nèi)運(yùn)行仿真。仿真磁場用作所選磁傳感器的輸入，并根據(jù)器件規(guī)格計(jì)算輸出信號。

當(dāng)用戶設(shè)置條件時(shí)，圖形界面會以交互方式更新，并且此功能將確認(rèn)設(shè)計(jì)設(shè)置符合預(yù)期。此外，還提供了一個(gè)動(dòng)畫，展示仿真后移動(dòng)磁體的行程。此動(dòng)畫提供視覺反饋，協(xié)助確認(rèn)仿真參數(shù)是否符合用戶期望。

最后，仿真結(jié)果可以導(dǎo)出為 .csv 或 .pdf 格式，以進(jìn)行其他詳細(xì)分析。配置文件可導(dǎo)出至 .json 文件，這些文件可共享以進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)作。

參考設(shè)計(jì)

TIMSS 包括幾個(gè)參考設(shè)計(jì)，為配置常見應(yīng)用提供了一個(gè)簡單的起點(diǎn)。這些設(shè)計(jì)包括：

• 角度編碼
• 滑過
• 增量編碼
• 迎面
• 蓋子閉合

器件選擇

大多數(shù)器件都能夠在 SPICE 仿真中進(jìn)行建模，但在考慮磁傳感器時(shí)，這會是個(gè)問題。磁感應(yīng)器件依賴于外部施加的磁場，而不是 SPICE 模型通常需要的電壓。

不過，TIMSS 能夠仿真對機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電氣響應(yīng)，因?yàn)?TIMSS 可以自由旋轉(zhuǎn)并定向磁體和傳感器，同時(shí)評估磁體整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的磁場。

TIMSS 提供超過 400 種可訂購傳感器供您選擇，包括采用每種靈敏度和封裝選項(xiàng)的角度傳感器、線性傳感器、鎖存器和開關(guān)。

圖 1 至圖 5 展示了每種傳感器類型的常見傳感器輸出響應(yīng)。

圖 1 全極開關(guān)輸出圖

圖 2 鎖存輸出模式

圖 3 線性傳感器輸出圖

圖 5 AMR 傳感器輸出圖

圖 4 數(shù)字線性傳感器輸出圖

開關(guān)和線性傳感器包含單極系列，在這種情況下，器件僅對磁場的單極敏感。這些器件有助于在更具體的情況下控制系統(tǒng)，在這些情況下，使用特定的磁場極性來隔離更窄的靈敏度區(qū)域。

磁體類型

TIMSS 具有幾個(gè)常見的磁體形狀可供選擇，并可用于任何仿真類型。圖 6 展示了所含的磁體類型。TIMSS 可以使用環(huán)形和條形磁體來仿真具有兩個(gè)或更多個(gè)磁極的磁體。

圖 6 TIMSS 支持的磁體

運(yùn)動(dòng)類型

磁場的變化方式取決于發(fā)生的運(yùn)動(dòng)類型。TIMSS 提供了四種運(yùn)動(dòng)類型，并能夠從單個(gè)靜態(tài)點(diǎn)捕獲磁場（表 1）。

表 1 運(yùn)動(dòng)類型詳細(xì)信息

鉸鏈	線性	操縱桿	旋轉(zhuǎn)	靜態(tài)位置
磁體圍繞 X 軸以指定的圓弧長度旋轉(zhuǎn)。因此，磁體和傳感器通常都在 Y 方向偏移放置。這種類型的運(yùn)動(dòng)在車門、操縱桿和蓋板件中很常見。	磁體可在空間中的任意兩點(diǎn)之間以平滑的線性路徑自由移動(dòng)。這種類型的運(yùn)動(dòng)通常用于測量線性傳動(dòng)器的行程、測量液位以及跟蹤線性動(dòng)子的位置。	此運(yùn)動(dòng)是使用圍繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行的。通常，磁體放置在距離 Z 方向向下的支撐點(diǎn)一定距離處。在 XY 平面內(nèi)的任意方向上以指定的傾斜角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。	標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)函數(shù)發(fā)生在磁體圍繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)。這可以仿真磁體的軸向旋轉(zhuǎn)，或者如果磁體相對于中心偏離一定半徑，那么運(yùn)動(dòng)可以仿真磁體在輪子或齒輪的外邊緣的行程。	靜態(tài)位置仿真不涉及任何傳感器選擇。這些仿真可捕獲空間中單點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，有助于快速檢查磁體設(shè)置，以了解預(yù)期磁場強(qiáng)度。

如果磁體位置在原點(diǎn)中心（圖 7 和圖 8），操縱桿運(yùn)動(dòng)還可以圍繞 X 或 Y 軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

圖 7 操縱桿傾斜角度

圖 8 操縱桿 XY 角度方向

高級特性

TIMSS 提供使該工具特別有用的高級特性。高級功能可以快速與器件仿真結(jié)合使用，以提供廣泛的系統(tǒng)級制造容差和機(jī)械設(shè)計(jì)更改的影響評估。

參數(shù)掃描

評估制造工藝時(shí)，最好考慮磁體和/或傳感器放置容差的影響。在開始原型構(gòu)建之前，需要額外注意這些注意事項(xiàng)和許多其他因素，例如磁體參數(shù)或系統(tǒng)工作溫度的變化。此高級特性可幫助用戶進(jìn)行這些類型的評估。

運(yùn)行參數(shù)掃描會創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，其中特定變量會單步執(zhí)行可能的結(jié)果，并使用各種因素的組合運(yùn)行一系列仿真。此過程通常用于加速對各種拐角條件的初步評估。例如，圖 9 中的圖建模了當(dāng)傳感器的安裝位置從所有方向的目標(biāo)位置變化 ±1mm 時(shí)，系統(tǒng)對特定設(shè)計(jì)的影響：X、Y 和 Z。

圖 9 參數(shù)輸出

結(jié)論

仿真工具提供的設(shè)計(jì)體驗(yàn)可在構(gòu)建實(shí)際電路設(shè)計(jì)之前簡化設(shè)計(jì)概念。磁感應(yīng)設(shè)計(jì)需要機(jī)械和電氣系統(tǒng)的跨功能協(xié)作，而仿真有助于減少進(jìn)行原型設(shè)計(jì)所需的工作量。德州儀器 (TI) 磁感應(yīng)仿真器提供便捷的接口，可直觀呈現(xiàn)和仿真機(jī)械運(yùn)動(dòng)的這些系統(tǒng)模型以及傳感器產(chǎn)生的電氣輸出。