現(xiàn)代汽車應(yīng)用中的磁感應(yīng)必須無懼雜散磁場影響

Melexis位置和速度傳感器營銷經(jīng)理 Nick Czarnecki

隨著消費者愈發(fā)注重環(huán)保、相關(guān)法規(guī)的日益增多以及燃料成本的不斷上漲，提高效率已然成為當(dāng)今汽車行業(yè)共同的“口號”。

無論是在最新的電動汽車 （EV）/混合動力汽車 （HEV） 的研發(fā)方面，還是在設(shè)法提高內(nèi)燃機 （ICE） 車輛效率方面，汽車行業(yè)都在尋求技術(shù)革新以推動行業(yè)的進一步發(fā)展。

縱使汽車行業(yè)風(fēng)云變幻，技術(shù)始終是其中的中流砥柱。

眾多車載應(yīng)用正在經(jīng)歷關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折時期：此前通過機械或液壓實現(xiàn)的功能正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">電氣或電子應(yīng)用。例如電子節(jié)氣門體、電動流體泵、電子渦輪增壓器，以及由電池供電的 EV 和 HEV 中的電子傳動系統(tǒng)。向電氣化的轉(zhuǎn)變不僅使汽車更加高效，同時還大幅提升了汽車的可靠性，并降低車重， 汽車重量的降低又能進一步提升汽車效率。

然而，所有這些運動部件都需要準確可靠地感應(yīng)位置，以便控制單元管理整個系統(tǒng)。只有實現(xiàn)高水平的精度，才能最大限度地提高效率。

運動部件位置感應(yīng)并非全新技術(shù)，電阻式或光學(xué)傳感器已在線性和旋轉(zhuǎn)位置感應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用多年。

這些方法雖然行之有效，但十分容易受到車輛中常見的灰塵、污垢和振動影響，并且由于其本身采用機械構(gòu)造而難免遭受磨損。

現(xiàn)在，磁感應(yīng)技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注。這種高精度技術(shù)既不會磨損，也不會受到污垢、灰塵和振動等環(huán)境因素的影響。

雖然磁感應(yīng)在可靠性方面有大幅提高，但其通常較易受到雜散磁場的影響，這為車輛設(shè)計者帶來了全新的挑戰(zhàn)，尤其是在車輛內(nèi)部電子器件越來越多的如今。

驅(qū)動 EV 和 HEV 的電機需要大量電流，因此從電池或交流發(fā)電機向電機輸送電流的電纜周圍會產(chǎn)生強磁場。同樣，驅(qū)動電動轉(zhuǎn)向 （EPS） 泵、開啟車窗、開啟/關(guān)閉天窗或其他電動裝置等低電流需求應(yīng)用也會產(chǎn)生磁場。

磁傳感器附近的任何雜散磁場都會影響傳感器精度，有可能導(dǎo)致輸出錯誤，甚至帶來更嚴重的后果。

無法正常關(guān)閉天窗會令人不快，而無法準確感應(yīng)制動踏板、油門踏板或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則可能危及駕乘人員和周邊人員的人身安全。

汽車行業(yè)高度重視安全性，因此制定了一系列標準，以確定雜散磁場的影響。ISO81452-8 是其中一項重要標準，內(nèi)容涵蓋磁場抗擾度測試。 此外還有 ISO26262，定義了確保 IC 在正常運行時和發(fā)生故障時的正常運行和安全性的流程與程序。

由于傳統(tǒng)的平面和垂直霍爾效應(yīng)傳感器以及磁阻 （MR） 傳感器設(shè)計用于測量附近被測物所附磁體產(chǎn)生的磁場，因此對車輛中的雜散場非常敏感。

電流（特別是主驅(qū)動電機的巨大電流）可產(chǎn)生龐大的雜散磁場，如不采取有效的抑制措施，將無法使用傳統(tǒng)感應(yīng)方式。此時旋轉(zhuǎn)傳感器的誤差可能會超過 10 度，而閥門或節(jié)氣門體等系統(tǒng)的最大旋轉(zhuǎn)角度僅為 90 度，踏板的旋轉(zhuǎn)角度更小，甚至可能只有 15 度，因此這個誤差十分嚴重。

在此情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)向和制動存在嚴重安全隱患時，發(fā)動機控制單元 （ECU） 將無法有效管理發(fā)動機功能，并且諸多其他功能也將受到顯著影響。

目前有兩種解決方案，可供需要（或希望）在現(xiàn)代車輛中應(yīng)用磁感應(yīng)的設(shè)計人員選擇。

第一種， 是為磁傳感器和相關(guān)磁體屏蔽雜散磁場。

此方案需要使用高磁導(dǎo)率材料，費用較為復(fù)雜昂貴。 并且由于屏蔽會吸收部分磁場并改變磁通回路，還會對用于測量位置的磁鐵產(chǎn)生的磁場造成影響。

此影響雖然可以通過增加物理間距來規(guī)避，但物理間距的增加又會導(dǎo)致尺寸、重量和成本的增加，而這些恰恰是現(xiàn)代車輛設(shè)計中所極力避免的。

第二種，是使用本質(zhì)上無懼雜散磁場的磁傳感器 IC。

Melexis 的 MLX90372 Triaxis? 位置處理器正是此類傳感器 IC。這款單片 IC 由一個 Triaxis 霍爾磁性前端、一個模數(shù)信號調(diào)節(jié)器、一個數(shù)字信號處理器 （DSP） 和一個輸出級驅(qū)動器組成。MLX90372 對施加于 IC 的三個磁通分量（BX、BY 和 BZ）十分敏感，只要磁路正確，即可檢測任何運動磁體的絕對位置（旋轉(zhuǎn)或線性）。感應(yīng)過程完全無接觸，因此不會磨損；污垢、灰塵和液體也無法造成影響。

該器件內(nèi)置雜散磁場抗擾模式，可大幅降低甚至消除最高 4kA/m（或 5mT）的雜散磁場導(dǎo)致的任何誤差。因此可安裝于車輛中緊鄰載流導(dǎo)體或其他磁體的位置。只需 4 極磁體即可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的雜散磁場抗擾，線性運動僅需 2 極磁體。

憑借簡單的磁場設(shè)計，傳感器 IC 可將雜散磁場導(dǎo)致的角度誤差降低至 0.4 度以下，這是多數(shù)主要車輛制造商可以接受的值。

此外，使用此傳感器 IC 可以大幅減少甚至無需使用以往必不可少的屏蔽，從而有效降低系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。

靈活的 MLX90372 提供可編程測量范圍以及可編程線性傳輸特性（基于 4/8 多點或 16/32 分段線性點），可在需要時提供更高的整體精度。

傳感器 IC 通過根據(jù) Secure Sensor 格式編碼的 SENT 幀實現(xiàn)與主處理器的通信，這些增強型串行消息可包含錯誤代碼和用戶定義值。 如有需要，還可配置脈寬調(diào)制 （PWM） 輸出。 此器件的姊妹產(chǎn)品 MLX90371 可提供成比例模擬量電壓輸出。

MLX90372 具有高水平的 EMC 穩(wěn)健性，提供單芯片版本和全冗余雙芯片版本，適用于具有超高安全性需求的應(yīng)用。 單芯片版本采用 SOIC-8 封裝，雙芯片版本采用 TSSOP-16 封裝。 同時還為緊湊空間內(nèi)的無 PCB 安裝和直接安裝于外殼內(nèi)的應(yīng)用需求提供單芯片 DMP-4 封裝。

憑此獨特優(yōu)勢，以及其可滿足 ISO26262 ASIL-C 要求的單芯片穩(wěn)健性和性能，此款傳感器 IC 正是要求苛刻的現(xiàn)代汽車應(yīng)用的理想之選。

無論汽車為電動驅(qū)動還是仍依賴于內(nèi)燃機，技術(shù)始終處于提高現(xiàn)代汽車效率和可靠性的最前沿。為實現(xiàn)更出色的效率和可靠性，越來越多的汽車部件開始轉(zhuǎn)向電氣化，因此傳感功能愈發(fā)重要。然而，現(xiàn)代車輛中高強度的雜散磁場為想要采用磁位置感應(yīng)功能的設(shè)計師帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

僅在不久之前，使用傳統(tǒng)磁傳感器時仍然需要復(fù)雜、繁瑣且昂貴的屏蔽措施。

幸運的是，Melexis 的第 III 代 Triaxis 器件，特別是 MLX90371 和 MLX90372 位置處理器在本質(zhì)上就可以避免受到雜散磁場的影響。

這些堅固耐用的器件是汽車應(yīng)用的理想選擇，并且無需屏蔽，讓設(shè)計更加簡單，同時還有助于降低車輛尺寸、重量和成本，并有效提高效率和可靠性。