现代汽车应用中的磁感应必须无惧杂散磁场影响

Melexis位置和速度传感器营销经理 Nick Czarnecki

随着消费者愈发注重环保、相关法规的日益增多以及燃料成本的不断上涨，提高效率已然成为当今汽车行业共同的“口号”。

无论是在最新的电动汽车 （EV）/混合动力汽车 （HEV） 的研发方面，还是在设法提高内燃机 （ICE） 车辆效率方面，汽车行业都在寻求技术革新以推动行业的进一步发展。

纵使汽车行业风云变幻，技术始终是其中的中流砥柱。

众多车载应用正在经历关键的转折时期：此前通过机械或液压实现的功能正逐渐转变为电气或电子应用。例如电子节气门体、电动流体泵、电子涡轮增压器，以及由电池供电的 EV 和 HEV 中的电子传动系统。向电气化的转变不仅使汽车更加高效，同时还大幅提升了汽车的可靠性，并降低车重， 汽车重量的降低又能进一步提升汽车效率。

然而，所有这些运动部件都需要准确可靠地感应位置，以便控制单元管理整个系统。只有实现高水平的精度，才能最大限度地提高效率。

运动部件位置感应并非全新技术，电阻式或光学传感器已在线性和旋转位置感应领域应用多年。

这些方法虽然行之有效，但十分容易受到车辆中常见的灰尘、污垢和振动影响，并且由于其本身采用机械构造而难免遭受磨损。

现在，磁感应技术正受到越来越多的关注。这种高精度技术既不会磨损，也不会受到污垢、灰尘和振动等环境因素的影响。

虽然磁感应在可靠性方面有大幅提高，但其通常较易受到杂散磁场的影响，这为车辆设计者带来了全新的挑战，尤其是在车辆内部电子器件越来越多的如今。

驱动 EV 和 HEV 的电机需要大量电流，因此从电池或交流发电机向电机输送电流的电缆周围会产生强磁场。同样，驱动电动转向 （EPS） 泵、开启车窗、开启/关闭天窗或其他电动装置等低电流需求应用也会产生磁场。

磁传感器附近的任何杂散磁场都会影响传感器精度，有可能导致输出错误，甚至带来更严重的后果。

无法正常关闭天窗会令人不快，而无法准确感应制动踏板、油门踏板或转向系统则可能危及驾乘人员和周边人员的人身安全。

汽车行业高度重视安全性，因此制定了一系列标准，以确定杂散磁场的影响。ISO81452-8 是其中一项重要标准，内容涵盖磁场抗扰度测试。 此外还有 ISO26262，定义了确保 IC 在正常运行时和发生故障时的正常运行和安全性的流程与程序。

由于传统的平面和垂直霍尔效应传感器以及磁阻 （MR） 传感器设计用于测量附近被测物所附磁体产生的磁场，因此对车辆中的杂散场非常敏感。

电流（特别是主驱动电机的巨大电流）可产生庞大的杂散磁场，如不采取有效的抑制措施，将无法使用传统感应方式。此时旋转传感器的误差可能会超过 10 度，而阀门或节气门体等系统的最大旋转角度仅为 90 度，踏板的旋转角度更小，甚至可能只有 15 度，因此这个误差十分严重。

在此情况下，当转向和制动存在严重安全隐患时，发动机控制单元 （ECU） 将无法有效管理发动机功能，并且诸多其他功能也将受到显著影响。

目前有两种解决方案，可供需要（或希望）在现代车辆中应用磁感应的设计人员选择。

第一种， 是为磁传感器和相关磁体屏蔽杂散磁场。

此方案需要使用高磁导率材料，费用较为复杂昂贵。 并且由于屏蔽会吸收部分磁场并改变磁通回路，还会对用于测量位置的磁铁产生的磁场造成影响。

此影响虽然可以通过增加物理间距来规避，但物理间距的增加又会导致尺寸、重量和成本的增加，而这些恰恰是现代车辆设计中所极力避免的。

第二种，是使用本质上无惧杂散磁场的磁传感器 IC。

Melexis 的 MLX90372 Triaxis® 位置处理器正是此类传感器 IC。这款单片 IC 由一个 Triaxis 霍尔磁性前端、一个模数信号调节器、一个数字信号处理器 （DSP） 和一个输出级驱动器组成。MLX90372 对施加于 IC 的三个磁通分量（BX、BY 和 BZ）十分敏感，只要磁路正确，即可检测任何运动磁体的绝对位置（旋转或线性）。感应过程完全无接触，因此不会磨损；污垢、灰尘和液体也无法造成影响。

该器件内置杂散磁场抗扰模式，可大幅降低甚至消除最高 4kA/m（或 5mT）的杂散磁场导致的任何误差。因此可安装于车辆中紧邻载流导体或其他磁体的位置。只需 4 极磁体即可实现旋转运动的杂散磁场抗扰，线性运动仅需 2 极磁体。

凭借简单的磁场设计，传感器 IC 可将杂散磁场导致的角度误差降低至 0.4 度以下，这是多数主要车辆制造商可以接受的值。

此外，使用此传感器 IC 可以大幅减少甚至无需使用以往必不可少的屏蔽，从而有效降低系统的尺寸、重量和成本。

灵活的 MLX90372 提供可编程测量范围以及可编程线性传输特性（基于 4/8 多点或 16/32 分段线性点），可在需要时提供更高的整体精度。

传感器 IC 通过根据 Secure Sensor 格式编码的 SENT 帧实现与主处理器的通信，这些增强型串行消息可包含错误代码和用户定义值。 如有需要，还可配置脉宽调制 （PWM） 输出。 此器件的姊妹产品 MLX90371 可提供成比例模拟量电压输出。

MLX90372 具有高水平的 EMC 稳健性，提供单芯片版本和全冗余双芯片版本，适用于具有超高安全性需求的应用。 单芯片版本采用 SOIC-8 封装，双芯片版本采用 TSSOP-16 封装。 同时还为紧凑空间内的无 PCB 安装和直接安装于外壳内的应用需求提供单芯片 DMP-4 封装。

凭此独特优势，以及其可满足 ISO26262 ASIL-C 要求的单芯片稳健性和性能，此款传感器 IC 正是要求苛刻的现代汽车应用的理想之选。

总结