磁性位置傳感器及雜散磁場(chǎng)干擾：差分技術(shù)的應(yīng)用效果

摘要：本文介紹了磁性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了傳感器免受雜散磁場(chǎng)干擾的方法。并針對(duì)市場(chǎng)上的傳感器產(chǎn)品進(jìn)行介紹，展示了雙像素磁性位置傳感器和單像素磁性位置傳感器的不同測(cè)試結(jié)果，證明雙像素磁性位置傳感器在抗干擾方面的突出性能。

　　如今，磁性位置傳感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)及電機(jī)控制應(yīng)用。磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量方式也不斷演變，推動(dòng)了全集成位置傳感器IC和磁性位置傳感器的進(jìn)步發(fā)展?，F(xiàn)在，磁性位置傳感器已經(jīng)可以將磁敏元件、信號(hào)調(diào)節(jié)以及信號(hào)處理等功能集成于一個(gè)小小的芯片之中。ams最新一代3D 磁性位置傳感器可以從三個(gè)維度感應(yīng)磁通量，因此，應(yīng)用范圍比普通的磁性位置傳感器更廣(見(jiàn)圖1)。無(wú)論采用何種應(yīng)用方法，磁性傳感技術(shù)都比光學(xué)傳感技術(shù)和接觸式(電位計(jì))更加穩(wěn)健可靠，因?yàn)榇判詡鞲屑夹g(shù)不會(huì)受到灰塵、污垢、油脂、振動(dòng)以及濕度的影響，而這些嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境在汽車和工業(yè)設(shè)備中十分常見(jiàn)。

　　然而，在使用傳統(tǒng)的磁性位置傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)工程師難以避免會(huì)碰到雜散磁場(chǎng)干擾的問(wèn)題。雜散磁場(chǎng)的干擾會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞磁性位置傳感器的輸出電壓，大量縮減信噪比。此外，因雜散磁場(chǎng)引起的故障風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)給一些對(duì)安全要求極高的設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來(lái)致命的危害。因此，汽車領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用一般而言都必須符合ISO26262功能安全認(rèn)證，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于汽車的電氣化程度越來(lái)越高，這些風(fēng)險(xiǎn)也愈加明顯和突出。高電流的電機(jī)和電纜是引起雜散磁場(chǎng)的重要因素之一，而這一情況在許多工業(yè)應(yīng)用中也十分普遍。

　　一般而言，若要使磁性位置傳感器免受雜散磁場(chǎng)的干擾需采取十分復(fù)雜的方式，并且成本也比較高。本文將介紹一種使磁性位置傳感器具備較強(qiáng)抗雜散磁場(chǎng)干擾能力的新方法。

使傳感器免受雜散磁場(chǎng)干擾的方法

　　常見(jiàn)的一種方法是屏蔽傳感器IC。這是一種十分生硬 的手段，原因主要有兩個(gè)。首先，屏蔽材料不僅會(huì)和雜散磁場(chǎng)發(fā)生交互作用，還會(huì)與配對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)相互作用。(配對(duì)磁鐵一般都是和被測(cè)量的移動(dòng)物體綁定的，當(dāng)它接近移動(dòng)物體進(jìn)行精密測(cè)量或偏離移動(dòng)物體進(jìn)行位置互換時(shí)，靜止的磁性位置傳感器也會(huì)使磁通量的數(shù)值變化發(fā)生紊亂。)

　　這樣一來(lái)，屏蔽材料本身也會(huì)被磁化，并且它的磁性會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變。此外，屏蔽材料還會(huì)產(chǎn)生滯回特性，有可能會(huì)使配對(duì)磁鐵的磁通線偏離傳感器。為了防止屏蔽材料出現(xiàn)這些衍生性能，破壞系統(tǒng)的正常運(yùn)作，我們必須將它放于遠(yuǎn)離磁鐵的位置。

　　這就給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師造成了較大的限制，他們無(wú)法按照自己的意愿放置、布置和安裝傳感器組件。同時(shí)，這也會(huì)使系統(tǒng)變得更加龐大、笨重、復(fù)雜，使系統(tǒng)組裝愈加困難，安裝成本也大大提高。

　　若不采用屏蔽材料的話，我們還可以將磁性位置傳感器與高剩磁強(qiáng)力磁鐵配對(duì)，并將該磁鐵安裝在傳感器附近。這樣可以適當(dāng)優(yōu)化信號(hào)-雜散磁場(chǎng)比，同時(shí)也可減少信噪比。但這個(gè)方法也存在一個(gè)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，諸如釹鐵硼磁鐵和稀土永磁體等強(qiáng)力磁鐵的價(jià)格比普通的硬鐵氧體和塑性磁鐵貴將近10倍。多數(shù)情況下，磁性位置傳感器都無(wú)法承受如此高昂的成本。此外，在某些應(yīng)用中，由于無(wú)法將磁鐵放置于磁性傳感器IC周邊，該方法也不適用。

雙像素傳感器IC：內(nèi)置抗雜散磁場(chǎng)干擾能力

　　使傳感器本身具備抗雜散磁場(chǎng)干擾能力是最好的辦法。事實(shí)上，如果傳感器的硬件足夠先進(jìn)，完全可以支持這一技術(shù)的話，我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算便可以消除來(lái)自雜散磁場(chǎng)的干擾。

　　與此同時(shí)，如果將與傳感器配對(duì)的磁鐵放在合適的位置(如盡量靠近IC)的話，它便可以幫助提升傳感器組件的抗雜散磁場(chǎng)干擾能力。要達(dá)到這個(gè)目的，唯一的方法就是使用一個(gè)可免受雜散磁場(chǎng)干擾的磁性位置傳感器。

　　對(duì)于一個(gè)可免受雜散磁場(chǎng)干擾的磁性位置傳感器來(lái)說(shuō)，最重要的硬件是雙像素磁敏元件(見(jiàn)圖2)。和傳統(tǒng)的3D磁性位置傳感器不同的是，采用雙像素磁敏元件的磁性位置傳感器使用2個(gè)像素單元(傳統(tǒng)的磁性位置傳感器則只使用1個(gè))來(lái)確定磁鐵的位置。這一結(jié)構(gòu)也使差分測(cè)量成為可能。

　　每個(gè)像素單元都可以從Bx, By和Bz三個(gè)維度測(cè)量磁場(chǎng)。在ams的AS54XX系列產(chǎn)品中，這兩個(gè)像素單元之間相隔2.5mm。

　　為了簡(jiǎn)單地說(shuō)明數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程，本文下方以線性應(yīng)用為例，介紹了傳感器的工作原理(見(jiàn)圖3)，其中，Bx和Bz兩個(gè)向量都是由該設(shè)備測(cè)量出來(lái)的。

　　傳感器IC通過(guò)對(duì)以下數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，從而判斷磁鐵位置：

　　X向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0測(cè)量

　　X向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1測(cè)量

　　Z向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0測(cè)量

　　Z向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1測(cè)量

　　圖4展示的是磁鐵從-15mm移動(dòng)至+15mm的過(guò)程中，該傳感器的輸出曲線。當(dāng)磁鐵位于“0”的位置時(shí)，磁鐵正好處于IC的正中央。此時(shí)，磁鐵的南北極正好位于兩個(gè)像素單元之間。由于兩個(gè)像素單元的間距為2.5mm，Pix0 和 Pix1曲線之間的相移為±1.25mm。

　　從這四個(gè)數(shù)值中我們可以看到，傳感器IC計(jì)算了Bi(X向量)和Bj(Z向量)2個(gè)差分信號(hào)

　　Bi = Bx_Pix0 – Bx_Pix1

　　Bj = Bz_Pix0 – Bz_Pix1

　　接下來(lái)，讓我們?cè)囅胍幌聦㈦s散磁場(chǎng)作用于被測(cè)量的設(shè)備中的情景。一般而言，雜散磁場(chǎng)的源頭與傳感器IC的配對(duì)磁鐵之間距離甚遠(yuǎn)，這就意味著，設(shè)計(jì)師可以假定同一個(gè)雜散磁場(chǎng)矢量可同時(shí)作用于兩個(gè)像素單元。

　　下面所展示的是當(dāng)雜散磁場(chǎng)Bs作用于像素單元時(shí)Bi和Bj的計(jì)算公式

　　顯然，Bs值對(duì)Bi和Bj值并無(wú)影響，因此可以忽略，并可以在不受雜散磁場(chǎng)干擾的情況下進(jìn)行準(zhǔn)確的位置測(cè)量(見(jiàn)圖5和圖6)。這是ams進(jìn)行位置測(cè)量的差分原則。ams已經(jīng)開(kāi)始使用這一方法，并正為此申請(qǐng)專利。

　　接下來(lái)，我們便可以通過(guò)ATAN2的Bi和Bj值測(cè)量磁鐵的位置

　　MPos = ATAN2( - Bj ; Bi )