差分磁電流傳感和位置傳感

簡介

隨著各行各業(yè)對更小、更精確、抗干擾傳感器的需求不斷增加，差分傳感拓?fù)鋵τ谠陔s散磁場無可避免的環(huán)境中提升傳感器精度至關(guān)重要。MPS位置傳感器產(chǎn)品，如 MA900 和 MAQ79010FS ，就利用差分傳感技術(shù)實現(xiàn)了關(guān)鍵應(yīng)用精度與可靠性的提升。

磁傳感精度的重要性 

汽車、機(jī)器人、航空航天和醫(yī)療保健等行業(yè)對傳感解決方案的精度要求越來越高。精確的測量對于實現(xiàn)高安全性和高效率也愈加重要。尤其是在電動汽車 (EV) 等應(yīng)用中，精確的電流傳感對電池管理和電機(jī)驅(qū)動十分關(guān)鍵，即使是微小的誤差也可能導(dǎo)致效率低下甚至系統(tǒng)故障。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高，對精度的要求也越來越嚴(yán)格，有些應(yīng)用甚至要求亞度級的角度傳感精度和 1%至2% 的電流傳感精度。

滿足這些標(biāo)準(zhǔn)是極具挑戰(zhàn)性的，因為靈敏度提高使傳感器更易受到噪聲的影響。此時就需要用到差分傳感、噪聲消除和屏蔽改進(jìn)等技術(shù)。溫度的穩(wěn)定性也很重要，因為傳感器讀數(shù)會隨著溫度的變化而漂移，尤其是在汽車環(huán)境中。此外，隨著傳感器越來越小以適應(yīng)緊湊型系統(tǒng)集成，要在不受干擾的情況下保持精度也越來越難。在高性能與成本控制之間取得平衡成為一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，尤其是在消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

磁傳感中的干擾源 

磁傳感器很容易受自然和人為外部磁場的干擾。甚至地球磁場都可能帶來干擾，使高精度應(yīng)用中的測量讀數(shù)失真。此外，電機(jī)定子的漏磁通也會干擾附近的傳感器，因此需要屏蔽或差分傳感。如果傳感器附近存在鐵磁材料，磁場將會被進(jìn)一步扭曲，并導(dǎo)致測量精度下降。

磁傳感的其他干擾源還包括電感和變壓器等載流元件產(chǎn)生的磁場，尤其是在大電流系統(tǒng)中。多相電機(jī)中鄰相目標(biāo)磁體間也可能相互干擾，從而產(chǎn)生噪聲并使位置傳感復(fù)雜化。

差分傳感拓?fù)?nbsp;

差分傳感通過消除共模干擾來提高磁傳感器的精度，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在外部磁場和噪聲嚴(yán)重的環(huán)境中非常有效。其設(shè)計通過兩個或多個傳感元件（例如平面霍爾單元或 TMR 元件）測量不同點(diǎn)的磁場，消除外部來源（例如電機(jī)或雜散場）的干擾，并聚焦于目標(biāo)信號。

差分傳感的益處包括：

●   降噪以消除對兩個傳感器產(chǎn)生均等影響的外部場；

●   提升信號保真度，聚焦目標(biāo)磁信號以實現(xiàn)精確的測量；

●   減少干擾以提高精度，在汽車和工業(yè)等應(yīng)用中提供精確的讀數(shù)。

• Previous

磁傳感是一項重要的現(xiàn)代傳感技術(shù)。它不僅可以提高位置傳感和電流傳感應(yīng)用的性能，還能縮小產(chǎn)品尺寸并降低成本。對于位置傳感應(yīng)用，磁傳感器提供了一種非接觸式的解決方案，這減小了系統(tǒng)尺寸，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和維護(hù)量，因此是汽車、機(jī)器人和工業(yè)自動化等應(yīng)用的理想選擇；對于電流傳感，磁傳感器則通過固有電流隔離確保了安全、精確的測量，它尤其適用于太陽能、變速驅(qū)動器、電動汽車充電和電機(jī)控制等大功率行業(yè)。 隨著各行各業(yè)對更小、更精確、抗干擾傳感器的需求不斷增加，差分傳感拓?fù)鋵τ谠陔s散磁場無可避免的環(huán)境中提升傳感器精度至關(guān)重要。MPS位置傳感器產(chǎn)品，如 MA900 和 MAQ79010FS ，就利用差分傳感技術(shù)實現(xiàn)了關(guān)鍵應(yīng)用精度與可靠性的提升。 汽車、機(jī)器人、航空航天和醫(yī)療保健等行業(yè)對傳感解決方案的精度要求越來越高。精確的測量對于實現(xiàn)高安全性和高效率也愈加重要。尤其是在電動汽車 (EV) 等應(yīng)用中，精確...

Next差分傳感的實現(xiàn) 

在電流傳感應(yīng)用中，在載流導(dǎo)體兩側(cè)放置兩個霍爾效應(yīng)傳感器用于檢測磁場，同時消除外部噪聲。差分傳感可確保精確的電流測量（尤其是在電動汽車電池系統(tǒng)或電機(jī)控制等嘈雜環(huán)境中），同時提高效率和安全性。

在位置傳感應(yīng)用中，差分拓?fù)淇捎糜诒容^不同點(diǎn)的磁場，從而過濾干擾。但需注意，差分傳感器需要與目標(biāo)磁體同軸對齊，因為離軸磁體也被視為干擾場。

除了上述方法外，還可以將多個霍爾元件集成在單個芯片上，以對稱方式測量導(dǎo)體周圍的磁場，從而提高精度并使傳感器在高 EMI 環(huán)境中有效工作。對需要高精度和高可靠性的應(yīng)用而言，霍爾元件是理想的選擇。

差分傳感適用的應(yīng)用 

對于需要在嘈雜環(huán)境中實現(xiàn)精確位置傳感的應(yīng)用，差分傳感拓?fù)涫直匾?。例如，在汽車油門控制應(yīng)用中，采用差分拓?fù)涞拇判晕恢脗鞲衅骺梢韵l(fā)動機(jī)組件或外部磁源的干擾，確保精確的油門讀數(shù)。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，差分傳感器可以通過檢測轉(zhuǎn)向柱上的磁體位置精確反饋轉(zhuǎn)向角度，并且不受外部噪聲的影響。此外，機(jī)器人技術(shù)也受益于此，即使在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，差分位置傳感器也能精確檢測關(guān)節(jié)或運(yùn)動部件的位置。MA900 和 MAQ79010 等 MPS 傳感器即采用該項技術(shù)在汽車和工業(yè)應(yīng)用中提供精確可靠的位置檢測。圖 1所示為MA900 的典型應(yīng)用。

圖1 MA900 的典型應(yīng)用

在大電流、強(qiáng)噪聲環(huán)境中，差分電流傳感更加必要。例如在電動汽車或可再生能源系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng) (BMS) 中，差分傳感器可監(jiān)測電池電流，實現(xiàn)高效能源管理。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，這些傳感器通過提供精確的電流測量來確保安全高效的運(yùn)行，即使存在電機(jī)噪聲也沒有影響。同樣，在大型機(jī)器會產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾 (EMI)的工業(yè)自動化應(yīng)用中，無論條件多惡劣，MPS 電流傳感器都能提供精確的電流讀數(shù)。

位置傳感的權(quán)衡與局限 

差分位置傳感器需要與目標(biāo)磁體精確同軸對準(zhǔn)，才能獲得精確的讀數(shù)。離軸放置可能會導(dǎo)致磁場被誤解為干擾，從而限制復(fù)雜或多變運(yùn)動系統(tǒng)的靈活性。因此，謹(jǐn)慎安裝差分位置傳感器對于在汽車轉(zhuǎn)向和油門控制等應(yīng)用中提供高精度測量非常關(guān)鍵。

磁場不均勻（梯度）也會導(dǎo)致差分傳感精度降低，因為傳感器可能會檢測到不同的磁場強(qiáng)度。緩解這種狀況需要在梯度最小的區(qū)域小心放置傳感器或進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，特別是在具有多個磁體或非均勻磁源環(huán)境中。

電流傳感的權(quán)衡與局限 

與位置傳感不同，差分電流傳感只要求更仔細(xì)的IC前期設(shè)計。無需謹(jǐn)慎對準(zhǔn)，差分電流傳感器即可精確檢測載流導(dǎo)體周圍的磁場，并在各種應(yīng)用中提供多功能性和一致的性能。

差分電流傳感需要考量的關(guān)鍵因素包括：確保傳感器符合預(yù)期的電流范圍、管理熱穩(wěn)定性以預(yù)防漂移，以及確保為電機(jī)驅(qū)動等動態(tài)應(yīng)用提供足夠的帶寬和響應(yīng)時間。

用例說明 汽車應(yīng)用 

磁傳感是電動汽車和高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 創(chuàng)新的關(guān)鍵。差分傳感器是在這類應(yīng)用中提高精確性和可靠性的重要器件。

●   在電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS)系統(tǒng)中，MA900 等傳感器能夠以亞度精度測量轉(zhuǎn)向角，從而確保順滑的控制。

●  在電池管理系統(tǒng) (BMS) 中，電流傳感器能夠以高精度監(jiān)控充電和放電過程，即使環(huán)境嘈雜也不受干擾。

●   在牽引電機(jī)控制系統(tǒng)中，差分電流傳感器可提供實時電流測量，從而優(yōu)化電動汽車的電機(jī)效率和安全性。

汽車應(yīng)用中的差分傳感器能夠增強(qiáng)控制能力并延長電池壽命。它不僅能在嘈雜的環(huán)境中可靠地運(yùn)行，還能在低功耗模式下高效率運(yùn)行，從而延長電動汽車的行駛里程。

消費(fèi)類（低功耗）應(yīng)用 

消費(fèi)電子產(chǎn)品對緊湊型、低功耗的傳感器需求也日益增長，差分傳感器是滿足這些需求的絕佳解決方案。

●   在游戲控制器和操縱桿應(yīng)用中，MA900無需移動部件即可提供精確、可靠的反饋。

●   在智能手表和健身追蹤器等可穿戴設(shè)備中，差分傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)超小尺寸、低功耗和精確的表盤移動檢測。

●   在家庭自動化領(lǐng)域，差分傳感器可在智能鎖和安全攝像頭等應(yīng)用中實現(xiàn)低功耗、精確的位置感應(yīng)。

在低功耗的消費(fèi)類應(yīng)用中，差分傳感器作為一種節(jié)能傳感器不僅可延長器件電池壽命，緊湊的外形還可在空間受限設(shè)備中實現(xiàn)更小的設(shè)計，而且由于沒有活動部件還具有更長的使用壽命。

醫(yī)療應(yīng)用 

差分傳感器在要求很高的醫(yī)療環(huán)境中也可提供高精度和高可靠性。

●   即使在具有強(qiáng)磁場的磁共振成像（MRI）儀中，差分傳感器也能夠提供精確的電流傳感。

●   在假肢和可穿戴設(shè)備中，差分傳感器能夠以高精度控制并監(jiān)測運(yùn)動和康復(fù)鍛煉。

●   在手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用中，多軸緊密靠近的差分傳感器可提供亞毫米級的定位能力。

新興技術(shù) 

磁傳感技術(shù)正在快速發(fā)展，以滿足汽車、醫(yī)療保健和消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)?、效率和適應(yīng)性日益增長的需求。下面列出了磁傳感技術(shù)的一些重大進(jìn)步：

●   業(yè)界正在開發(fā)可以更精確地檢測更小磁場變化的傳感器，這種新型傳感器特別適用于自動駕駛應(yīng)用。

●   多軸傳感傳感器能夠檢測多個軸（X、Y 和 Z）的磁場，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用，例如機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)實 (AR) 中的3D定位。

●   具有更高靈敏度和更低固有噪聲的隧道磁阻 (TMR) 等新型磁傳感器技術(shù)可以將精度提升到新的高度

行業(yè)趨勢 

對精確磁傳感的需求是應(yīng)用復(fù)雜性不斷增加的直接結(jié)果。例如在汽車行業(yè)，自動駕駛汽車和 ADAS 依靠精確的磁傳感器來實現(xiàn)車道保持并避免碰撞；在醫(yī)療保健領(lǐng)域，MRI儀器和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)需要高精度以確保安全性和治療效果；工業(yè)自動化領(lǐng)域的機(jī)械臂和傳送系統(tǒng)也需要精確感應(yīng)，從而提高效率并減少誤差。

微型化和成本的降低推動了磁傳感技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新。尺寸更小的傳感器能夠被集成到緊湊型系統(tǒng)（例如可穿戴設(shè)備和無人機(jī)）中，同時又不犧牲精度。對于醫(yī)療可穿戴設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統(tǒng)等設(shè)備，節(jié)能傳感器在延長電池壽命方面起到了關(guān)鍵的作用，并進(jìn)一步推動了低功耗設(shè)計方面的創(chuàng)新。

結(jié)語

對于外部磁場干擾會影響精度和性能的汽車、工業(yè)自動化和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)來說，磁傳感技術(shù)非常重要。MPS 位置傳感器（例如 MA900 和 MAQ79010FS）和電流傳感器中應(yīng)用了差分傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可消除共模噪聲并確保器件可靠、高精度的運(yùn)行。

未來，降噪、小型化和材料科學(xué)方面的進(jìn)步將進(jìn)一步推動磁傳感技術(shù)的創(chuàng)新，從而滿足對傳感器精度更高、功耗更低和尺寸更小的需求。從電動汽車到醫(yī)療可穿戴設(shè)備，磁傳感器在這些應(yīng)用中將變得越來越重要。

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