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磁性位置傳感器(MPS)是電機控制應用中的重要組件；傳統MPS易受雜散磁場干擾，造成安全疑慮。新一代雙像素MPS采用差分傳感技術設計，可有效阻絕雜散磁場干擾，達到更精密準確的電機控制，并滿足日益嚴格的功能安全標準要求。 在工業及汽車市場，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，而用來測量通量密度的各種方法也持續進步，促成完全集成型傳感IC或磁性位置傳感器(Magnetic Position Sensor, MPS)的發展。這類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，都比光學傳感或接觸式傳感(電位器)來得穩定和可靠，這是因為磁性技術不會受到塵土、油污、震動及潮濕的影響，而這些因素在嚴苛的汽車和工業應用中是很常見的。 在汽車領域中，產品設計必須符合ISO26262功能性安全標準所規定的嚴格風險管理要求。然而，使用傳統MPS的設計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險，也會對重視安全的設計造成損害。 隨著汽車電氣化程度的擴大，這樣的風險日益增加。特別是攜帶高電流的電機及電線，正是雜散磁場的強大來源；這在許多工業應用中也同樣是存在的。保護脆弱的MPS不受雜散磁場的影響，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MPS對于雜散磁場的免疫力。 傳感器遠離雜散磁場干擾常見方法 因應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生作用，還會和這個MPS的匹配磁場產生作用。(這個配對的磁鐵附著于要被測量的移動對象上。當這個配對磁鐵往前或往后移動遠離傳感器時，靜態MPS會將磁通量的變化，轉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，屏蔽材料會表現出磁滯行為，這可能會將配對磁鐵的磁力線重新導向為遠離傳感器。為避免屏蔽的寄生特性會中斷系統的運作，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、布線及放入傳感器模塊組件的自由度。這也會讓系統更大、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)這些類型的強力磁鐵，價格約是便宜的永磁鐵氧體或塑料連聯結磁鐵的十倍之多，這就破壞了MPS在許多應用中的成本優勢。此外，這樣的方式對許多應用而言并不適合，因為它們無法將磁鐵放在靠近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。事實上，一個基本的數學運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。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，唯一能達到免疫于雜散磁場的方法，就只有使用內建此功能的MPS。 具有雜散磁場免疫力的MPS，關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。這種雙像素架構可以被用來執行差分量測(Differential Measurement)。 圖2 AS54xx雙像素傳感器IC架構 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學運作，以下對于傳感器工作原理的說明將集中于線性應用(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的范圍內移動時，此應用的輸出曲線。當磁鐵位置=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 從這四個數值，傳感器IC會計算兩個差分訊號，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。這也就意味設計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數值不會影響Bi和Bj的數值。我們輕易就能將Bs從計算中移除，能在完全沒有來自雜散磁場的干擾的情況下進行精確的位置測量(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，透過一個ATAN2函數計算出來。 MPos=ATAN2(-Bj；Bi) |
