Beziehung zwischen Ausgangsverzögerung und Messfehler bei TMR-Winkelsensoren

Wenn Winkel bei Drehbewegungen, wie z.B. bei der Erkennung der Motorposition, erfasst werden sollen, muss die Ausgangsverzögerungszeit des Sensors berücksichtigt werden.
Wenn ein Sensor mit zu langer Reaktionszeit verwendet wird, wird aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit eine veraltete Winkelinformation anstatt des tatsächlichen Winkelwertes gemessen. Eine Motorsteuerung basierend auf veralteten Winkelinformationen kann zur Entstehung von Geräuschen führen.

Dieser Artikel erklärt die Beziehung zwischen Ausgangsverzögerung und Winkelfehler eines TMR-Winkelsensors.

Zwei Faktoren bestimmen die Ausgangsverzögerungszeit eines analogen TMR-Sensors:

1. Die Reaktionszeit des TMR-Elements bei Änderungen des einwirkenden Magnetfeldes
2. Die Reaktionszeit des gesamten Sensorschaltkreises bei Änderungen elektrischer Parameter

Die genaue Erfassung von Magnetfeldänderungen kann eine Herausforderung darstellen, wenn wir den ersten Faktor – die Reaktionszeit auf Magnetfeldänderungen – betrachten.
Allerdings können unsere TMR-Sensoren beim Einsatz in Festplatten nachweislich Signale über 1 GHz auslesen. Daher können wir sagen, dass unsere Technologie eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit garantiert.

Die Reaktionszeit des elektrischen Schaltkreises, also Punkt zwei, wird anhand der Messergebnisse mit unserem TAS2141-AAAA als Beispiel verdeutlicht.
Wie in Abbildung 1 gezeigt, wurde ein Impuls mit tr = 0,616 ns, 1 VP-P an den VCC-Pin eingegeben und die Reaktion des Sensorausgangs beobachtet.

Es wurde eine Anstiegszeit tr = 10,93 ns ≥ 32 MHz Bandbreite bestätigt.

Diese Verzögerungszeit zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ist auf die Zeitkonstanten von Widerständen und parasitären Kapazitäten des internen Schaltkreises des TMR-Sensors zurückzuführen.

Wenn ein Zweipol-Magnet verwendet wird, bedeutet dies, dass Signale im Ultrahochgeschwindigkeitsbereich von bis zu 1.92×109 U/min verarbeitet werden können, da der Winkelfehler aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit vernachlässigbar klein ist und somit in den allermeisten Fällen den Anforderungen entspricht.

Abbildung 1: Messumgebung für die Ausgangsreaktion analogen Sensoren

Abbildung 2: Ausgangsreaktion von analogen Sensoren,
Anstiegszeit tr =10,93 ns

Vorhersagefunktion zur Kompensation von Ausgangsverzögerungen bei TMR-Sensoren mit digitaler Signalverarbeitung

Digitale Sensoren hingegen müssen zusätzlich zu den analogen Faktoren auch die durch den Berechnungsprozess des ASICs verursachte Ausgangsverzögerung berücksichtigen.

Ist die Ausgangsverzögerungszeit signifikant, besteht die Gefahr, dass der Winkelfehler zunimmt. Um diesem Problem zu begegnen, verfügen digitale TMR-Sensoren über eine Funktion zur Vorhersage der Ausgangsverzögerung. Mit dieser Funktion kann die Ausgangsverzögerungszeit vorausgesagt und das Echtzeitverhalten nachgebildet werden.

Tabelle 1 und Abbildung 3 unten zeigen den durch die Ausgangsverzögerung verursachten Winkelfehler mit und ohne Vorhersagefunktion

Rotation speed [rpm]	Rotation period [μS]	Angle Error [deg]
Rotation speed [rpm]	Rotation period [μS]	w/o Prediction, Delay 225μs(Max)	w/ Prediction, Delay 5μs(Max)
1,000	60,000	1.4	0.0
5,000	12,000	6.8	0.2
10,000	6,000	13.5	0.3
16,667	3,600	22.5	0.5
20,000	3,000	27	0.6
33,333	1,800	45	1.0
66,667	900	90	2.0
100,000	600	135	3.0

Tabelle 1: Winkelfehler aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit

Abbildung 3: Winkelfehler aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit

[Formel]

Winkelfehler aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit [Grad] = 360 [Grad] * Verzögerungszeit / Periodendauer der Rotation

Schlussfolgerung
Analoge TMR-Sensoren bieten eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit, sodass sie ohne Maßnahmen zur Kompensation der Ausgangsverzögerungszeit verwendet werden können, was zur Kostenreduzierung beiträgt.

Die digitalen TMR-Sensoren können dank ihrer Vorhersagefunktion eingesetzt werden, ohne dass sich der Winkelfehler aufgrund der Ausgangsverzögerungszeit erhöht.