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。

无论汽车为电动驱动还是仍依赖于内燃机，技术始终处于提高现代汽车效率和可靠性的最前沿。为实现更出色的效率和可靠性，越来越多的汽车部件开始转向电气化，因此传感功能愈发重要。然而，现代车辆中高强度的杂散磁场为想要采用磁位置感应功能的设计师带来了严峻挑战。

仅在不久之前，使用传统磁传感器时仍然需要复杂、繁琐且昂贵的屏蔽措施。

幸运的是，Melexis 的第 III 代 Triaxis 器件，特别是 MLX90371 和 MLX90372 位置处理器在本质上就可以避免受到杂散磁场的影响。

这些坚固耐用的器件是汽车应用的理想选择，并且无需屏蔽，让设计更加简单，同时还有助于降低车辆尺寸、重量和成本，并有效提高效率和可靠性。