差分傳感技術(shù)加持 雙像素MPS擺平磁場干擾
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在工業(yè)及汽車市場，磁性位置傳感于各種電機(jī)及電機(jī)控制應(yīng)用中已日益的普及，而用來測量通量密度的各種方法也持續(xù)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。這類傳感器在單一芯片中集成磁性傳感、信號調(diào)節(jié)及信號處理功能，如奧地利微電子(ams)推出的最新一代3D MPS，能從三個方向傳感磁性通量，這讓它們的應(yīng)用范圍比起以前更為寬廣(圖1)。
圖1 3D MPS周圍磁場三個向量的圖示
就位置傳感而言，無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)來得穩(wěn)定和可靠，這是因?yàn)榇判约夹g(shù)不會受到塵土、油污、震動及潮濕的影響，而這些因素在嚴(yán)苛的汽車和工業(yè)應(yīng)用中是很常見的。
在汽車領(lǐng)域中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須符合ISO26262功能性安全標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的嚴(yán)格風(fēng)險管理要求。然而，使用傳統(tǒng)MPS的設(shè)計(jì)工程師愈來愈常遇到一個問題，就是來自雜散磁場的干擾，這會破壞MPS的輸出，或是將信噪比(SNR)降至讓人無法接受的程度。甚至是肇因于雜散磁場的已知風(fēng)險，也會對重視安全的設(shè)計(jì)造成損害。
隨著汽車電氣化程度的擴(kuò)大，這樣的風(fēng)險日益增加。特別是攜帶高電流的電機(jī)及電線，正是雜散磁場的強(qiáng)大來源；這在許多工業(yè)應(yīng)用中也同樣是存在的。保護(hù)脆弱的MPS不受雜散磁場的影響，現(xiàn)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對于雜散磁場的免疫力。
傳感器遠(yuǎn)離雜散磁場干擾常見方法
因應(yīng)雜散磁場的常見方法之一是屏蔽傳感器IC。這不是一個好方法，這樣的說法是基于兩個理由。首先，所使用的屏蔽材料不只是會和雜散磁場產(chǎn)生作用，還會和這個MPS的匹配磁場產(chǎn)生作用。(這個配對的磁鐵附著于要被測量的移動對象上。當(dāng)這個配對磁鐵往前或往后移動遠(yuǎn)離傳感器時，靜態(tài)MPS會將磁通量的變化，轉(zhuǎn)換為精確的位移量測。)屏蔽材料本身會被磁化，而且它的特性也容易隨著溫度變化而改變。
此外，屏蔽材料會表現(xiàn)出磁滯行為，這可能會將配對磁鐵的磁力線重新導(dǎo)向?yàn)檫h(yuǎn)離傳感器。為避免屏蔽的寄生特性會中斷系統(tǒng)的運(yùn)作，所以必須把它放在距離磁鐵較遠(yuǎn)處。這就限制了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在布局、布線及放入傳感器模塊組件的自由度。這也會讓系統(tǒng)更大、更重、更復(fù)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)這些類型的強(qiáng)力磁鐵，價格約是便宜的永磁鐵氧體或塑料連聯(lián)結(jié)磁鐵的十倍之多，這就破壞了MPS在許多應(yīng)用中的成本優(yōu)勢。此外，這樣的方式對許多應(yīng)用而言并不適合，因?yàn)樗鼈儫o法將磁鐵放在靠近IC的地方。
借力雙像素傳感器IC MPS增強(qiáng)雜散磁場干擾免疫力
比起這些方法都來得更好的方法，是讓傳感器免疫于雜散磁場。事實(shí)上，一個基本的數(shù)學(xué)運(yùn)作就能讓來自雜散磁場的噪聲消失，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的容忍度。然而，唯一能達(dá)到免疫于雜散磁場的方法，就只有使用內(nèi)建此功能的MPS。
具有雜散磁場免疫力的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(tǒng)的3D磁性位置傳感器，雙像素傳感用兩個像素單元來取代一個單元，以此來測定磁鐵的位置。這種雙像素架構(gòu)可以被用來執(zhí)行差分量測(Differential Measurement)。
圖2 AS54xx雙像素傳感器IC架構(gòu)
每一個像素單元都可以量測磁場的三個向量：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，這兩個像素單元相距2.5毫米 (mm)。為了要簡單地說明數(shù)學(xué)運(yùn)作，以下對于傳感器工作原理的說明將集中于線性應(yīng)用(圖3)。在這里，此裝置僅測量Bx及Bz向量。
圖3 利用MPS及雙極磁鐵測量線性電機(jī)
此傳感器IC測量以下的數(shù)值，以決定磁鐵的位置：
Bx_Pix0... 磁場的x向量，由Pixel0測量
Bx_Pix1... 磁場的x向量，由Pixel1測量
Bz_Pix0... 磁場的z向量，由Pixel0測量
Bz_Pix1... 磁場的z向量，由Pixel1測量
圖4顯示磁鐵在-15mm至+15mm的范圍內(nèi)移動時，此應(yīng)用的輸出曲線。當(dāng)磁鐵位置=0，這個磁鐵就位在IC封裝體的正中間。在這個位置上，這個磁鐵的北至南極磁極過渡帶(Pole Transition)就落在兩個像素之間。由于兩個像素相距2.5mm，所以Pix0和Pix1曲線間存在著±1.25mm的相移(Phase Shift)。
圖4 雙像素傳感器IC的輸出測量
從這四個數(shù)值，傳感器IC會計(jì)算兩個差分訊號，被稱為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，讓我們想象一個作用于被測量裝置的雜散磁場Bs。這個雜散磁場的來源，通常比它配對的磁鐵離傳感器IC更遠(yuǎn)。這也就意味設(shè)計(jì)師可以假定相同的雜散磁場向量被作用于兩個像素單元。
于是，Bi和Bj公式是相同的，但是有著雜散磁場Bs作用于它們身上：
很明顯可以看到Bs數(shù)值不會影響B(tài)i和Bj的數(shù)值。我們輕易就能將Bs從計(jì)算中移除，能在完全沒有來自雜散磁場的干擾的情況下進(jìn)行精確的位置測量(圖5、圖6)。
圖5 傳感器IC計(jì)算的sin, cos信號
圖6 傳感器IC計(jì)算出的磁鐵位置
于是，磁鐵的位置(MPos)就能利用Bi和Bj數(shù)值，透過一個ATAN2函數(shù)計(jì)算出來。 MPos=ATAN2(-Bj；Bi)
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