磁性位置傳感器及雜散磁場(chǎng)干擾：差分技術(shù)的應用效果

摘要：本文介紹了磁性傳感器的應用領(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試結果，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)被廣泛應用于工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域的運動(dòng)及電機控制應用。磁感應強度的測量方式也不斷演變，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在，磁性位置傳感器已經(jīng)可以將磁敏元件、信號調節以及信號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)維度感應磁通量，因此，應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)更加穩健可靠，因為磁性傳感技術(shù)不會(huì )受到灰塵、污垢、油脂、振動(dòng)以及濕度的影響，而這些嚴苛的應用環(huán)境在汽車(chē)和工業(yè)設備中十分常見(jiàn)。

　　然而，在使用傳統的磁性位置傳感器時(shí)，設計工程師難以避免會(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(chǎng)引起的故障風(fēng)險也會(huì )給一些對安全要求極高的設計應用帶來(lái)致命的危害。因此，汽車(chē)領(lǐng)域的設計應用一般而言都必須符合ISO26262功能安全認證，對風(fēng)險管理進(jìn)行嚴格控制。由于汽車(chē)的電氣化程度越來(lái)越高，這些風(fēng)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(chǎng)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(chǎng)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(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 )與配對磁鐵的磁場(chǎng)相互作用。(配對磁鐵一般都是和被測量的移動(dòng)物體綁定的，當它接近移動(dòng)物體進(jìn)行精密測量或偏離移動(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(zhù)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 )使配對磁鐵的磁通線(xiàn)偏離傳感器。為了防止屏蔽材料出現這些衍生性能，破壞系統的正常運作，我們必須將它放于遠離磁鐵的位置。

　　這就給系統設計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 )使系統變得更加龐大、笨重、復雜，使系統組裝愈加困難，安裝成本也大大提高。

　　若不采用屏蔽材料的話(huà)，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(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(huà)，我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的數學(xué)運算便可以消除來(lái)自雜散磁場(chǎng)的干擾。

　　與此同時(shí)，如果將與傳感器配對的磁鐵放在合適的位置(如盡量靠近IC)的話(huà)，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。這一結構也使差分測量成為可能。

　　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)明數學(xué)運算的過(guò)程，本文下方以線(xiàn)性應用為例，介紹了傳感器的工作原理(見(jiàn)圖3)，其中，Bx和Bz兩個(gè)向量都是由該設備測量出來(lái)的。

　　傳感器IC通過(guò)對以下數值進(jìn)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(dòng)至+15mm的過(guò)程中，該傳感器的輸出曲線(xiàn)。當磁鐵位于“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(xiàn)之間的相移為±1.25mm。

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

　　Bi = Bx_Pix0 – Bx_Pix1

　　Bj = Bz_Pix0 – Bz_Pix1

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

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

　　顯然，Bs值對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)行準確的位置測量(見(jiàn)圖5和圖6)。這是ams進(jìn)行位置測量的差分原則。ams已經(jīng)開(kāi)始使用這一方法，并正為此申請專(zhuān)利。

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

　　MPos = ATAN2( - Bj ; Bi )