差分傳感技術(shù)加持 雙像素MPS擺平磁場(chǎng)干擾
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在工業(yè)及汽車(chē)市場(chǎng)，磁性位置傳感于各種電機及電機控制應用中已日益的普及，而用來(lái)測量通量密度的各種方法也持續進(jìn)步，促成完全集成型傳感IC或磁性位置傳感器(Magnetic Position Sensor, MPS)的發(fā)展。這類(lèi)傳感器在單一芯片中集成磁性傳感、信號調節及信號處理功能，如奧地利微電子(ams)推出的最新一代3D MPS，能從三個(gè)方向傳感磁性通量，這讓它們的應用范圍比起以前更為寬廣(圖1)。
圖1 3D MPS周?chē)艌?chǎng)三個(gè)向量的圖示
就位置傳感而言，無(wú)論是采用哪種磁性傳感方法，都比光學(xué)傳感或接觸式傳感(電位器)來(lái)得穩定和可靠，這是因為磁性技術(shù)不會(huì )受到塵土、油污、震動(dòng)及潮濕的影響，而這些因素在嚴苛的汽車(chē)和工業(yè)應用中是很常見(jiàn)的。
在汽車(chē)領(lǐng)域中，產(chǎn)品設計必須符合ISO26262功能性安全標準所規定的嚴格風(fēng)險管理要求。然而，使用傳統MPS的設計工程師愈來(lái)愈常遇到一個(gè)問(wèn)題，就是來(lái)自雜散磁場(chǎng)的干擾，這會(huì )破壞MPS的輸出，或是將信噪比(SNR)降至讓人無(wú)法接受的程度。甚至是肇因于雜散磁場(chǎng)的已知風(fēng)險，也會(huì )對重視安全的設計造成損害。
隨著(zhù)汽車(chē)電氣化程度的擴大，這樣的風(fēng)險日益增加。特別是攜帶高電流的電機及電線(xiàn)，正是雜散磁場(chǎng)的強大來(lái)源；這在許多工業(yè)應用中也同樣是存在的。保護脆弱的MPS不受雜散磁場(chǎng)的影響，現有的對策既麻煩又昂貴。如同這篇文章所言，較佳的方法是提高M(jìn)PS對于雜散磁場(chǎng)的免疫力。
傳感器遠離雜散磁場(chǎng)干擾常見(jiàn)方法
因應雜散磁場(chǎng)的常見(jiàn)方法之一是屏蔽傳感器IC。這不是一個(gè)好方法，這樣的說(shuō)法是基于兩個(gè)理由。首先，所使用的屏蔽材料不只是會(huì )和雜散磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，還會(huì )和這個(gè)MPS的匹配磁場(chǎng)產(chǎn)生作用。(這個(gè)配對的磁鐵附著(zhù)于要被測量的移動(dòng)對象上。當這個(gè)配對磁鐵往前或往后移動(dòng)遠離傳感器時(shí)，靜態(tài)MPS會(huì )將磁通量的變化，轉換為精確的位移量測。)屏蔽材料本身會(huì )被磁化，而且它的特性也容易隨著(zhù)溫度變化而改變。
此外，屏蔽材料會(huì )表現出磁滯行為，這可能會(huì )將配對磁鐵的磁力線(xiàn)重新導向為遠離傳感器。為避免屏蔽的寄生特性會(huì )中斷系統的運作，所以必須把它放在距離磁鐵較遠處。這就限制了系統設計工程師在布局、布線(xiàn)及放入傳感器模塊組件的自由度。這也會(huì )讓系統更大、更重、更復雜、更難組裝及更昂貴。
另一種截然不同的方法則不須要屏蔽，而是讓MPS和具有極高剩磁(Br)的磁鐵配對，將它放置在靠近MPS的位置。此種做法的效果是要讓訊號對雜散場(chǎng)比 (Signal-to-stray-field Ratio)較有利；這對于整體SNR也有同樣的效果。不幸的是，像是釹鐵硼磁石(NdFeB)或釤鈷磁石(SmCo)這些類(lèi)型的強力磁鐵，價(jià)格約是便宜的永磁鐵氧體或塑料連聯(lián)結磁鐵的十倍之多，這就破壞了MPS在許多應用中的成本優(yōu)勢。此外，這樣的方式對許多應用而言并不適合，因為它們無(wú)法將磁鐵放在靠近IC的地方。
借力雙像素傳感器IC MPS增強雜散磁場(chǎng)干擾免疫力
比起這些方法都來(lái)得更好的方法，是讓傳感器免疫于雜散磁場(chǎng)。事實(shí)上，一個(gè)基本的數學(xué)運作就能讓來(lái)自雜散磁場(chǎng)的噪聲消失，傳感器的硬件可支持此技術(shù)。此外，高明的布局方法，讓配對磁鐵盡可能靠近IC，也有助于增加傳感器模塊對于雜散磁場(chǎng)的容忍度。然而，唯一能達到免疫于雜散磁場(chǎng)的方法，就只有使用內建此功能的MPS。
具有雜散磁場(chǎng)免疫力的MPS，關(guān)鍵硬件特性在于雙像素(Dual-pixel)磁性傳感元素(圖2)。不像傳統的3D磁性位置傳感器，雙像素傳感用兩個(gè)像素單元來(lái)取代一個(gè)單元，以此來(lái)測定磁鐵的位置。這種雙像素架構可以被用來(lái)執行差分量測(Differential Measurement)。
圖2 AS54xx雙像素傳感器IC架構
每一個(gè)像素單元都可以量測磁場(chǎng)的三個(gè)向量：Bx、By及Bz。在奧地利微電子所提供的AS54xx傳感器系列產(chǎn)品中，這兩個(gè)像素單元相距2.5毫米 (mm)。為了要簡(jiǎn)單地說(shuō)明數學(xué)運作，以下對于傳感器工作原理的說(shuō)明將集中于線(xiàn)性應用(圖3)。在這里，此裝置僅測量Bx及Bz向量。
圖3 利用MPS及雙極磁鐵測量線(xiàn)性電機
此傳感器IC測量以下的數值，以決定磁鐵的位置：
Bx_Pix0... 磁場(chǎng)的x向量，由Pixel0測量
Bx_Pix1... 磁場(chǎng)的x向量，由Pixel1測量
Bz_Pix0... 磁場(chǎng)的z向量，由Pixel0測量
Bz_Pix1... 磁場(chǎng)的z向量，由Pixel1測量
圖4顯示磁鐵在-15mm至+15mm的范圍內移動(dòng)時(shí)，此應用的輸出曲線(xiàn)。當磁鐵位置=0，這個(gè)磁鐵就位在IC封裝體的正中間。在這個(gè)位置上，這個(gè)磁鐵的北至南極磁極過(guò)渡帶(Pole Transition)就落在兩個(gè)像素之間。由于兩個(gè)像素相距2.5mm，所以Pix0和Pix1曲線(xiàn)間存在著(zhù)±1.25mm的相移(Phase Shift)。
圖4 雙像素傳感器IC的輸出測量
從這四個(gè)數值，傳感器IC會(huì )計算兩個(gè)差分訊號，被稱(chēng)為Bi(針對x向量)以及Bj(針對z向量)：
Bi=Bx_Pix0–Bx_Pix1
Bj=Bz_Pix0–Bz_Pix1
然后，讓我們想象一個(gè)作用于被測量裝置的雜散磁場(chǎng)Bs。這個(gè)雜散磁場(chǎng)的來(lái)源，通常比它配對的磁鐵離傳感器IC更遠。這也就意味設計師可以假定相同的雜散磁場(chǎng)向量被作用于兩個(gè)像素單元。
于是，Bi和Bj公式是相同的，但是有著(zhù)雜散磁場(chǎng)Bs作用于它們身上：
很明顯可以看到Bs數值不會(huì )影響B(tài)i和Bj的數值。我們輕易就能將Bs從計算中移除，能在完全沒(méi)有來(lái)自雜散磁場(chǎng)的干擾的情況下進(jìn)行精確的位置測量(圖5、圖6)。
圖5 傳感器IC計算的sin, cos信號
圖6 傳感器IC計算出的磁鐵位置
于是，磁鐵的位置(MPos)就能利用Bi和Bj數值，透過(guò)一個(gè)ATAN2函數計算出來(lái)。 MPos=ATAN2(-Bj；Bi)
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