磁性位置傳感器及雜散磁場干擾：差分技術的應用效果

摘要：本文介紹了磁性傳感器的應用領域，介紹了傳感器免受雜散磁場干擾的方法。并針對市場上的傳感器產(chǎn)品進行介紹，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，磁性位置傳感技術已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)和汽車領域的運動及電機控制應用。磁感應強度的測量方式也不斷演變，推動了全集成位置傳感器IC和磁性位置傳感器的進步發(fā)展?，F(xiàn)在，磁性位置傳感器已經(jīng)可以將磁敏元件、信號調(diào)節(jié)以及信號處理等功能集成于一個小小的芯片之中。ams最新一代3D 磁性位置傳感器可以從三個維度感應磁通量，因此，應用范圍比普通的磁性位置傳感器更廣(見圖1)。無論采用何種應用方法，磁性傳感技術都比光學傳感技術和接觸式(電位計)更加穩(wěn)健可靠，因為磁性傳感技術不會受到灰塵、污垢、油脂、振動以及濕度的影響，而這些嚴苛的應用環(huán)境在汽車和工業(yè)設備中十分常見。

　　然而，在使用傳統(tǒng)的磁性位置傳感器時，設計工程師難以避免會碰到雜散磁場干擾的問題。雜散磁場的干擾會嚴重損壞磁性位置傳感器的輸出電壓，大量縮減信噪比。此外，因雜散磁場引起的故障風險也會給一些對安全要求極高的設計應用帶來致命的危害。因此，汽車領域的設計應用一般而言都必須符合ISO26262功能安全認證，對風險管理進行嚴格控制。由于汽車的電氣化程度越來越高，這些風險也愈加明顯和突出。高電流的電機和電纜是引起雜散磁場的重要因素之一，而這一情況在許多工業(yè)應用中也十分普遍。

　　一般而言，若要使磁性位置傳感器免受雜散磁場的干擾需采取十分復雜的方式，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抗雜散磁場干擾能力的新方法。

使傳感器免受雜散磁場干擾的方法

　　常見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。首先，屏蔽材料不僅會和雜散磁場發(fā)生交互作用，還會與配對磁鐵的磁場相互作用。(配對磁鐵一般都是和被測量的移動物體綁定的，當它接近移動物體進行精密測量或偏離移動物體進行位置互換時，靜止的磁性位置傳感器也會使磁通量的數(shù)值變化發(fā)生紊亂。)

　　這樣一來，屏蔽材料本身也會被磁化，并且它的磁性會隨著溫度的變化而發(fā)生改變。此外，屏蔽材料還會產(chǎn)生滯回特性，有可能會使配對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)的正常運作，我們必須將它放于遠離磁鐵的位置。

　　這就給系統(tǒng)設計師造成了較大的限制，他們無法按照自己的意愿放置、布置和安裝傳感器組件。同時，這也會使系統(tǒng)變得更加龐大、笨重、復雜，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力磁鐵配對，并將該磁鐵安裝在傳感器附近。這樣可以適當優(yōu)化信號-雜散磁場比，同時也可減少信噪比。但這個方法也存在一個問題。一般來說，諸如釹鐵硼磁鐵和稀土永磁體等強力磁鐵的價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法承受如此高昂的成本。此外，在某些應用中，由于無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)置抗雜散磁場干擾能力

　　使傳感器本身具備抗雜散磁場干擾能力是最好的辦法。事實上，如果傳感器的硬件足夠先進，完全可以支持這一技術的話，我們只需要一個簡單的數(shù)學運算便可以消除來自雜散磁場的干擾。

　　與此同時，如果將與傳感器配對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干擾能力。要達到這個目的，唯一的方法就是使用一個可免受雜散磁場干擾的磁性位置傳感器。

　　對于一個可免受雜散磁場干擾的磁性位置傳感器來說，最重要的硬件是雙像素磁敏元件(見圖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個像素單元(傳統(tǒng)的磁性位置傳感器則只使用1個)來確定磁鐵的位置。這一結(jié)構也使差分測量成為可能。

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

　　為了簡單地說明數(shù)學運算的過程，本文下方以線性應用為例，介紹了傳感器的工作原理(見圖3)，其中，Bx和Bz兩個向量都是由該設備測量出來的。

　　傳感器IC通過對以下數(shù)值進行測量，從而判斷磁鐵位置：

　　X向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0測量

　　X向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1測量

　　Z向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0測量

　　Z向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1測量

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

　　從這四個數(shù)值中我們可以看到，傳感器IC計算了Bi(X向量)和Bj(Z向量)2個差分信號

　　Bi = Bx_Pix0 – Bx_Pix1

　　Bj = Bz_Pix0 – Bz_Pix1

　　接下來，讓我們試想一下將雜散磁場作用于被測量的設備中的情景。一般而言，雜散磁場的源頭與傳感器IC的配對磁鐵之間距離甚遠，這就意味著，設計師可以假定同一個雜散磁場矢量可同時作用于兩個像素單元。

　　下面所展示的是當雜散磁場Bs作用于像素單元時Bi和Bj的計算公式

　　顯然，Bs值對Bi和Bj值并無影響，因此可以忽略，并可以在不受雜散磁場干擾的情況下進行準確的位置測量(見圖5和圖6)。這是ams進行位置測量的差分原則。ams已經(jīng)開始使用這一方法，并正為此申請專利。

　　接下來，我們便可以通過ATAN2的Bi和Bj值測量磁鐵的位置

　　MPos = ATAN2( - Bj ; Bi )