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果，證明雙像素磁性位置傳感器在抗干擾方面的突出性能。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280683.htm

關鍵詞：磁性；傳感器；抗干擾；3D磁性位置傳感器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.006

如今，磁性位置傳感技術已經被廣泛應用于工業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展。現在，磁性位置傳感器已經可以將磁敏元件、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境在汽車和工業設備中十分常見。

然而，在使用傳統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IS026262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。使傳感器兔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值變化發生紊亂。）

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生改變。此外，屏蔽材料還會產生滯回特性，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，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。這樣可以適當優化信號一雜散磁場比，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系列產品中，這兩個像素單元之間相隔2.5mm。

為了簡單地說明數學運算的過程，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通過對以下數值進行測量，從而判斷磁鐵位置：X向量的Bx Pix0值，由Pixel O測量X向量的Bx Pixl值，由Pixel l測量Z向量的Bx Pix0值，由Pixel O測量Z向量的Bx Pixl值，由Pixel l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“O”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Pixl曲線之間的相移為±1.25mm。

從這四個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個差分信號

Bi=Bx_Pix0-Bx_Pixl

Bj=Bz_Pix0-Bz_Pixl

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）

抗雜散磁場干擾演示

具備差分感應能力的雙像素磁性位置傳感器的卓能性能已經通過實驗測試所證明。以下這個實驗將包含一個雙像素磁性位置傳感器的汽車位置傳感器模塊與包含一個傳統的單像素傳感器的汽車位置傳感器模塊的測試結果進行比較。這兩個模塊都被用于測量位于傳感器IC某個角度上方的磁鐵的位置移動（見圖9）。隨著磁鐵位置的改變，傳感器IC的電壓輸出量也出現了相應的變化（見圖10）。這種測量方式十分常見，尤其是在測量汽車制動器、油門或離合器踏板的位移時十分有必要。

亥姆霍茲線圈可將一個雜散磁場作用于這兩個模塊中（見圖7）。為了產生Bx、By以及Bz三個矢量的特定磁場強度，線圈放置的位置也各不相同。

模塊的輸出電壓通過示波器來測量（見圖8）。

圖11所顯示的數據表明，當汽車位置傳感器模塊放置于雜散磁場的Z方向時，單像素傳感器IC的誤差比雙像素傳感器IC的誤差大30倍測試條件：

磁鐵位置：4V

雜散磁場方向：Z

雜散磁場頻率：50Hz

雜散磁場強度：2500A/m

直流雜散磁場表現為一個偏移量疊加在追蹤信號上。交流雜散磁場作為干擾，雜散磁場頻率則疊加在追蹤信號上。

圖12也清楚地展示了兩種不同傳感器的區別。1%的誤差范圍在汽車運動傳感應用中十分常見。該測試測量了所有的干擾源，包括雜散磁場。由于積分非線性和溫度變化在不同的應用中情況也各不相同，所以，這些數值的影響暫沒有包括在表格中。

市場上的雙像素傳感器產品

ams所有用于汽車領域的AS54XX磁性位置傳感器系列都采用了雙像素差動傳感技術。這些傳感器可用于-40℃到150℃溫度范圍內的環境中，并且無需溫度補償。此外，這些傳感器十分靈敏，可以在SmT到lOOmT范圍內運作。一旦他們具備較高的抗雜散磁場干擾能力之后，我們便僅需使用成本較低的小尺寸磁鐵。

因為這些傳感器可以在雜散磁場環境內可靠運作，因此，它們可幫助汽車應用設計者滿足IS026262安全認證的要求。AS54XX產品系列還具備自我監控的集成功能。這些安全性能可在接地失敗或斷電等情況下對設備提供欠壓保護及過壓保護。先進的安全功能包括可自我檢測位反轉的EEPROM。

采用雙像素差動原理的磁性位置傳感器不僅僅能免受雜散磁場的干擾，而且不需要抵消因溫度和時間變化產生的影響。此外，由于具備14位分辨率，這些磁性位置傳感器的精確度和準確性較高，因此，可適用于各種不同的應用（見圖13）。

結論

在汽車領域，由于動力系統的電氣化程度越來越高，磁性位置傳感器的抗雜散磁場干擾能力顯得越來越重要。此外，諸如IS011452-8等新標準的出臺也給汽車制造商和系統設計商帶來更多挑戰。

在嚴峻的電氣環境和機械環境下，3D雙像素傳感器IC可幫助設計師開發性能穩健的產品，并且在無需使用復雜昂貴的屏蔽材料的情況下使產品符合最嚴苛的安全標準要求。

磁性位置傳感技術已經被廣泛應用于工業和汽車領域的運動及電機控制應用。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。

磁性傳感技術比光學傳感技術和接觸式（電位計）更加穩健可靠，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境在汽車和工業設備中十分常見。

然而，在使用傳統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。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設備中也十分普遍。

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。本文介紹的正是一種使磁性位置傳感器具備較強的抗雜散磁場干擾能力的新方法。由于采用了雙像素敏感元件，磁性位置傳感器使差動傳感成為可能。本文對這一操作原理進行了具體描述。接下來，文奎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，從而證明了雙像素磁性位置傳感器在抗雜散磁場干擾方面的突出性能。