磁性位置传感器及杂散磁场干扰：差分技术的应用效果

摘要：本文介绍了磁性传感器的应用领域，介绍了传感器免受杂散磁场干扰的方法。并针对市场上的传感器产品进行介绍，展示了双像素磁性位置传感器和单像素磁性位置传感器的不同测试结果，证明双像素磁性位置传感器在抗干扰方面的突出性能。

　　如今，磁性位置传感技术已经被广泛应用于工业和汽车领域的运动及电机控制应用。磁感应强度的测量方式也不断演变，推动了全集成位置传感器IC和磁性位置传感器的进步发展。现在，磁性位置传感器已经可以将磁敏元件、信号调节以及信号处理等功能集成于一个小小的芯片之中。ams最新一代3D 磁性位置传感器可以从三个维度感应磁通量，因此，应用范围比普通的磁性位置传感器更广(见图1)。无论采用何种应用方法，磁性传感技术都比光学传感技术和接触式(电位计)更加稳健可靠，因为磁性传感技术不会受到灰尘、污垢、油脂、振动以及湿度的影响，而这些严苛的应用环境在汽车和工业设备中十分常见。

　　然而，在使用传统的磁性位置传感器时，设计工程师难以避免会碰到杂散磁场干扰的问题。杂散磁场的干扰会严重损坏磁性位置传感器的输出电压，大量缩减信噪比。此外，因杂散磁场引起的故障风险也会给一些对安全要求极高的设计应用带来致命的危害。因此，汽车领域的设计应用一般而言都必须符合ISO26262功能安全认证，对风险管理进行严格控制。由于汽车的电气化程度越来越高，这些风险也愈加明显和突出。高电流的电机和电缆是引起杂散磁场的重要因素之一，而这一情况在许多工业应用中也十分普遍。

　　一般而言，若要使磁性位置传感器免受杂散磁场的干扰需采取十分复杂的方式，并且成本也比较高。本文将介绍一种使磁性位置传感器具备较强抗杂散磁场干扰能力的新方法。

使传感器免受杂散磁场干扰的方法

　　常见的一种方法是屏蔽传感器IC。这是一种十分生硬 的手段，原因主要有两个。首先，屏蔽材料不仅会和杂散磁场发生交互作用，还会与配对磁铁的磁场相互作用。(配对磁铁一般都是和被测量的移动物体绑定的，当它接近移动物体进行精密测量或偏离移动物体进行位置互换时，静止的磁性位置传感器也会使磁通量的数值变化发生紊乱。)

　　这样一来，屏蔽材料本身也会被磁化，并且它的磁性会随着温度的变化而发生改变。此外，屏蔽材料还会产生滞回特性，有可能会使配对磁铁的磁通线偏离传感器。为了防止屏蔽材料出现这些衍生性能，破坏系统的正常运作，我们必须将它放于远离磁铁的位置。

　　这就给系统设计师造成了较大的限制，他们无法按照自己的意愿放置、布置和安装传感器组件。同时，这也会使系统变得更加庞大、笨重、复杂，使系统组装愈加困难，安装成本也大大提高。

　　若不采用屏蔽材料的话，我们还可以将磁性位置传感器与高剩磁强力磁铁配对，并将该磁铁安装在传感器附近。这样可以适当优化信号-杂散磁场比，同时也可减少信噪比。但这个方法也存在一个问题。一般来说，诸如钕铁硼磁铁和稀土永磁体等强力磁铁的价格比普通的硬铁氧体和塑性磁铁贵将近10倍。多数情况下，磁性位置传感器都无法承受如此高昂的成本。此外，在某些应用中，由于无法将磁铁放置于磁性传感器IC周边，该方法也不适用。

双像素传感器IC：内置抗杂散磁场干扰能力

　　使传感器本身具备抗杂散磁场干扰能力是最好的办法。事实上，如果传感器的硬件足够先进，完全可以支持这一技术的话，我们只需要一个简单的数学运算便可以消除来自杂散磁场的干扰。

　　与此同时，如果将与传感器配对的磁铁放在合适的位置(如尽量靠近IC)的话，它便可以帮助提升传感器组件的抗杂散磁场干扰能力。要达到这个目的，唯一的方法就是使用一个可免受杂散磁场干扰的磁性位置传感器。

　　对于一个可免受杂散磁场干扰的磁性位置传感器来说，最重要的硬件是双像素磁敏元件(见图2)。和传统的3D磁性位置传感器不同的是，采用双像素磁敏元件的磁性位置传感器使用2个像素单元(传统的磁性位置传感器则只使用1个)来确定磁铁的位置。这一结构也使差分测量成为可能。

　　每个像素单元都可以从Bx, By和Bz三个维度测量磁场。在ams的AS54XX系列产品中，这两个像素单元之间相隔2.5mm。

　　为了简单地说明数学运算的过程，本文下方以线性应用为例，介绍了传感器的工作原理(见图3)，其中，Bx和Bz两个向量都是由该设备测量出来的。

　　传感器IC通过对以下数值进行测量，从而判断磁铁位置：

　　X向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0测量

　　X向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1测量

　　Z向量的Bx_Pix0值，由Pixel 0测量

　　Z向量的Bx_Pix1值，由Pixel 1测量

　　图4展示的是磁铁从-15mm移动至+15mm的过程中，该传感器的输出曲线。当磁铁位于“0”的位置时，磁铁正好处于IC的正中央。此时，磁铁的南北极正好位于两个像素单元之间。由于两个像素单元的间距为2.5mm，Pix0 和 Pix1曲线之间的相移为±1.25mm。

　　从这四个数值中我们可以看到，传感器IC计算了Bi(X向量)和Bj(Z向量)2个差分信号

　　Bi = Bx_Pix0 – Bx_Pix1

　　Bj = Bz_Pix0 – Bz_Pix1

　　接下来，让我们试想一下将杂散磁场作用于被测量的设备中的情景。一般而言，杂散磁场的源头与传感器IC的配对磁铁之间距离甚远，这就意味着，设计师可以假定同一个杂散磁场矢量可同时作用于两个像素单元。

　　下面所展示的是当杂散磁场Bs作用于像素单元时Bi和Bj的计算公式

　　显然，Bs值对Bi和Bj值并无影响，因此可以忽略，并可以在不受杂散磁场干扰的情况下进行准确的位置测量(见图5和图6)。这是ams进行位置测量的差分原则。ams已经开始使用这一方法，并正为此申请专利。

　　接下来，我们便可以通过ATAN2的Bi和Bj值测量磁铁的位置

　　MPos = ATAN2( - Bj ; Bi )