使用差分传感器技术增强汽车的稳健性能

磁性霍尔效应编码器坚固耐用，可在车辆所经历的恶劣环境条件下提供高精度和精确的位置信息。

角度和运动传感器广泛用于车辆，用于踏板位置传感和油门控制等应用用于变速箱和方向盘。几乎不需要说明，特别是在转向系统和油门中，可靠的操作对于驾驶员，乘客，其他道路使用者和行人的安全是绝对必要的。因此，汽车传感器必须非常坚固，并且在车辆的使用寿命期间可靠地运行。

与此同时，车辆中的电磁兼容性（EMC）标准也越来越严格，新一代低碳柴油和汽油发动机的开发需要更高的传感器性能，更高的分辨率和低功耗运行。例如，在转向应用中，汽车设计师正在寻找能够获得超低待机电流的元件。甚至还有一种“按需测量”的举措，以降低控制电子设备的功耗。

传感器还需要适应新的数字接口，如单边半字节传输（SENT）协议和外围传感器接口5（PSI5），它将取代传统的模拟输出。

所有这些因素的结合正在加速取消传统的接触传感器解决方案，并通过非接触式传感器进行替换。

ams率先开发了集成霍尔效应编码器解决方案，优化了用于汽车应用的AS5xxx系列传感器。本文介绍了如何通过使用专利的差分传感器技术来促进具有挑战性的汽车条件下的稳健性能。

免疫杂散磁场

图1显示了一个简单的直径（双极）磁传感器AS5163 ）磁化磁铁。传感器IC测量垂直场分量并计算绝对角度值。

图1：非接触式磁编码器。

AS5xxx器件实现的差分原理是旨在消除诸如杂散磁场，振动和未对准等环境因素的影响。

图2：差分原理涉及使用四个霍尔效应元件。这种差分原理需要在IC内部使用四个霍尔效应元件。传统上，磁性位置传感器仅使用一个霍尔效应元件。这四个元件在直径磁化的旋转磁体（见图2）下方等间隔，产生四个正弦波形，每个相位与相邻波形相移90度。这可以用公式表示：

其中：

â=峰值幅度

α=相对于传感器的磁体旋转角度通过使用差分放大相反的传感器组：

产生两个具有双幅度的90度相移信号：

这两个模拟信号然后被数字化在数字域中进一步处理之前的模数转换器（ADC）。 AS5xxx设备内的坐标旋转数字计算机（CORDIC）使用以下公式将正弦和余弦数据转换为角度和幅度信息：

其中：

A =测量角度

α=相对于传感器的磁体旋转角度

峰值幅度

取消，剩余的表达式是

传感器IC和磁铁之间的差距。它还消除了由杂散磁场引起的磁偏移。图3显示了典型传感器磁体实现的横截面。如果沿着磁体的直径绘制垂直磁场（传感器对其敏感）的分布，则最大值出现在磁体边缘附近的极点处。磁铁中心的中性区磁场强度为零;随着半径的增加，磁场强度以相对线性的方式增加。图3：磁铁和传感器的横截面。

只要所有的霍尔效应元件在此线性范围内，差分信号［见公式2］将保持不变，与磁体的水平位置无关。 AS5xxx不需要线性霍尔效应传感器所需的温度补偿。 IC可在-40摄氏度至+ 150摄氏度的整个工作范围内自动校正磁场强度变化。

将使用差分原理的磁编码器与使用铁磁场的其他霍尔效应编码器解决方案进行比较是很有意思的。集中。在AS5xxx的情况下，压力测量显示在存在高达20.000 A/m（25 mT）的均匀杂散场时角度输出没有变化。当静态和动态杂散场应用于传感器系统时（见图4），传感器产生的位置信息（X，Y，Z）不受影响;传感器设计坚固耐用。

图4：采用亥姆霍兹线圈的AS5163传感器和磁体，用于分析磁杂散场的影响。

使用铁磁场聚光器的霍尔编码器解决方案对静态和动态杂散场非常敏感。在500至1000A/m的低磁场强度幅度下可以观察到几度角度误差。为了避免这些影响，带有场集中器的传感器需要靠近传感器的昂贵磁屏蔽材料。图5显示了动态磁杂散场（20 Hz）1000 A/m（1.26 mT）对传感器的影响。主磁体也位于亥姆霍兹线圈中并放置在某个位置。传感器编程为360度全转模式，输出范围为0.5 V至4.5 V.振荡代表20 Hz杂散场干扰。在这种情况下，角度误差约为2到3度。图5：AS5163输出与传感器输出的比较，使用20 Hz的场集中器1000 A/m。

差分原理适用于任何角度。然而，使用场集中器对传感器的影响受到磁铁位置的强烈影响。图6显示了十个不同角度的传感器输出分析。

图6：存在杂散磁场时角度输出的精度。

强大的保护和诊断功能

磁干扰不是影响位置传感器输出的唯一环境因素。电气干扰也会影响输出。电源上的过压脉冲或微中断可随时发生。 AS516x能够在没有任何损坏的情况下克服这些损坏，并在干扰消失后立即重启而无需复位。此外，AS516x能够承受高达+27 V的过压脉冲。由于该器件提供-18 V反极性保护，因此也可防止连接错误造成的损坏。

为避免输出短路造成永久性损坏，AS5163具有智能检测电路。在检测到输出短路时，器件会关闭输出并在延迟后重新启动。设备会定期尝试以降低的功率打开输出。

此外，高环境温度下的永久性短路不会损坏设备。

看门狗功能以及内部和外部诊断使传感器解决方案适用于踏板等安全关键应用。

在芯片内部故障的情况下，输出被强制进入故障带。过压事件会强制输出关闭，负载条件会将输出拉入故障带。使用故障频带还可以防止外部故障（例如VDD和GND损坏），AS516x系列可以提供4 kV静电放电（ESD）保护。

ams还提供一个完全冗余的传感器，带有两个独立的输出，用于安全关键应用。

传感器的强大通信

许多传统传感器将其输出作为模拟信号提供。然后车辆的电子控制单元（ECU）必须先用ADC对其进行数字化处理才能使用。这有许多缺点。例如，电磁事件和其他噪声源可能破坏信号，需要在ECU中使用模拟滤波器进行补偿。错误处理也很困难且昂贵。要在1％的范围内实现小故障带很困难，并且在所有工作条件下处理由VDD或GND损坏引起的泄漏影响具有挑战性。

数字单线通信消除了这些问题。新的汽车数字接口，如SENT J2716，正在得到更广泛的支持，新的AS5165（可从制造商XXXXX获得）符合SENT J2716标准。 PSI5接口是另一种选择。该界面非常强大，具有许多有价值的功能。通过电源线上的电流和电压调制来处理双向通信。传感器只有两个连接，有助于降低成本。

结论

磁性霍尔效应编码器可以作为旋转和线性变体从ams获得。它们同样坚固耐用，可在车辆所经历的恶劣环境条件下提供高度准确和精确的位置信息。随着AMS继续投资改进其磁编码器系列，设计工程师可望继续致力于生产在安全关键应用中成功运行的强大设备。