位置传感器如何推动汽车和工业应用创新

参考文献 位创置新传感器如何推动汽车和工业应用 MannySoltero 内容概览 1 在不断发展的汽车系统（包括电机和电动助力转向 趋势一 ： 系统电气化 (EPS)系统）中，位置传感器能够以高精度测量复 杂的角度。 2 3 4 趋势二 从机械系统转向磁传感器可减少磨损，同时提高对 ： 提高可靠性和安全性的需求 功能安全的需求。 趋势三 高灵敏度磁体和更高的集成度可解决小型化的折衷 ： 最终产品的整体外形小型化 问题，包括较低的精度和分辨率。 趋势四 在磁传感器中，铁氧体是稀土材料的替代品，资源 ： 从稀土材料到铁氧体的过渡 丰富，成本低廉，但需要能够补偿其减小的磁场和 温漂。 本文探讨了汽车和工业应用中位置检测的趋势，以及相关的设计挑战和解决方案。 无论您的驾驶经验丰富与否，都有可能没注意到方向盘甚 至制动系统在不同车辆之间有什么差异。这是设计使然。操控方面的改进为驾驶员提供了更多便利，但总体而言， 这些系统的感觉相对保持不变，以确保无论哪一年的车型，用户体验都是一样的。 然而，随着时间的推移，这些系统中使用的技术也在不断发展，位置传感器就是其中的重要组成部分。 当今有许多类型的位置传感器可供使用，包括超声波、光学、磁、电容和电感式传感器。位置传感集成电路(IC)可检测物体的运动，并将输入信号转换为适用于微控制器(MCU)处理和控制的电信号。在本文中，当提及位置传感器时，您可以假设IC传感器使用霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)或电感技术。图1说明了这三种传感器类型的基本 功能。 magneticfield sensorcoil magneticfieldproducedbyEddycurrents conductivetarget Eddycurrentsonsurface sensorcoil’sAC Bfield VHall Ibias CurrentI ferromagnet ExternalBfield Hall-effectAMRInductive 图1.霍尔效应、AMR和电感传感器功能。 在霍尔效应技术中，电流会被导入铁磁材料中。施加磁场 （标记为B场，请参阅图1）会产生垂直于电流流动的霍尔电压。 AMR传感器的电阻随施加的磁场而降低。此外，各向异性方面意味着AMR传感器取决于施加的磁场的方向。 电感式传感器使用传感器线圈（电感器）来产生自己的磁场，这些磁场与金属目标上形成的涡流产生的磁场耦合。 本白皮书讨论了位置检测的四种当前趋势：系统电气化、 提高可靠性和安全性的需求、整体最终产品外形的小型化以及从稀土材料到铁氧体的过渡。通过了解IC传感器的最 新改进，设计人员可以从中受益，这些传感器现在更加精确和灵敏，能够提供更高的分辨率和更多功能，功耗比以往更低，同时采用越来越小的封装。 趋势一：系统电气化 自动驾驶、对更好用户体验的需求以及减少温室气体排放 图2.转向柱加装TI3D传感器评估模块。 电机位置检测是电机设计的一个基本方面，可确保电机以 的推动力，使得汽车电气化程度不断提高，这需要在汽车 卓越效率运行。随着功效要求的提高位置传感器的性能 中安装更多的半导体器件，包括位置传感器。这是我们的 ， 预期也会提高 第一个趋势。 热效率对于电动汽车机油和水乙二醇 (EV)至关重要。电动泵将冷却剂（如 ，这些传感器能够高精度地监测电机轴的精 确旋转位置。通过了解电机的位置，牵引逆变器中的微处理器和功率级可以为电机线圈提供精确的电流量，从而更 ）在整个车辆内循环，以控制各种系统的 温度。多个电子控制单元(ECU)控制这些系统。电动汽车开启后，MCU可以通过监测温度来确定是否有足够的冷却 液泵送到特定系统。电动泵增量旋转编码器中使用的高分辨率霍尔效应传感器使微处理器能够更高效地响应热事件。诸如高带宽TMAG5110-Q1之类的器件可提供低延迟 输出，同时还提供高灵敏度功能，从而让设计人员在传感器放置方面拥有更大灵活性。 各原始设备制造商(OEM)的转向柱设计不尽相同，但常用的实现方式是连接多个控制模块，并管理多个开关和按钮控制功能，例如转向灯、前照灯、雨刮器、巡航控制和滚轮。以前考虑到自动驾驶或舒适性原因，这些功能是采用机械方式实现的，现在已成为同时具有磁性功能的电气解决方案。对于大多数应用，TMAG5170D-Q1和 TMAG5173-Q1能够以高精度测量复杂角度，从而满足汽车安全完整性等级(ASIL)B甚至ASILD系统级合规性。 图2显示了经过改装，以使用3D霍尔效应传感器开发板代替机械触点的OEM转向柱控制模块。 高效地管理扭矩。挑战在于当电机以全速（100,000rpm 或更高）运行时，如何以尽可能高的精度（约0.5°）在整个额定温度范围内测量角度。由于LDC5072-Q1电感式传 感器（也称为电感式旋转变压器）本身对杂散磁场具有抗扰度，因此适用于此任务。这项技术的另一个好处是不需要磁体。图3显示了顶部安装了牵引逆变器的电机。 图3.电机和牵引逆变器。 汽车电气化为位置传感器创造了许多用例，其中电动助力转向(EPS)最为普遍。随着EPS的不断发展，电机位置传 感器和车轮位置传感器的精度和分辨率要求也不断提高。在EPS系统中，TMAG6181-Q1可以非常精确地提供电机 转子位置，角度误差低至0.4°，并支持高达100,000rpm 的转速，延迟小于2µs，而TMAG5170D-Q1有助于确定方向盘的3D位置。方向盘角度传感器将数据发送到ECU，以实现出色的车辆操作和控制。 电气化不仅涉及汽车，还涉及电动自行车、踏板电动自行 车和电动踏板车等运输系统。虽然这些产品已经问世多年，但在电机换向、转速和轮速感应方面仍有新的进步，需要位置传感器。电动自行车有几种新趋势值得注意： •电机换向之前是通过三锁存器无刷直流电机实现的，但 大多数电动自行车电机提供商现在都通过高速、高精度角度传感器来监控电机。TMAG6180-Q1AMR传感器 具有高精度角度测量（室温下为0.1°），因此非常适合这种应用。 •使用TMAG5115等霍尔效应锁存器进行车轮转速和节 应用 现有技术 使处用位置传感器而非机械传感器的好 推荐技术 用器于无线电动工具和医疗电钻的触发冰箱门开关检测 机械电位器设计微型开关 •延长了触发机制的生命周期。•您可以将传感器直接放置在主电路板上，无需外部模块。 霍尔效应，电感式霍尔效应 / 游戏控制器和键盘 机械设计 •无需可见开关，就能呈现美观的门接口。 霍尔效应电感式 机械设计 •提供了检测特定按钮或触发器上作用力的功能。•在游戏控制器中，这有助于防止随着时间的推移而出现漂移。 ， 霍尔效应、电感和 转向系统：转向杆换挡器、转向柱、旋钮和电子换挡器制动系统 机械液压设计 •使用无磨损的电气位置信号提供线控转向方法。 AMR 霍尔效应电感式 •电子线控制动提供了更高的安全性和快速的响应时间。 ， 奏监控可实现低抖动和快速响应时间，从而实现精度更高的速度和方向测量。过去，霍尔效应开关主要用于车轮转速检测。 趋势二：提高可靠性和安全性的需求 在开发工业、个人电子产品和汽车系统的同时，设计人员还在思考如何使他们的设计更可靠，以延长产品的寿命。 位置检测的一个新趋势涉及到通过几种不同的方法来实现这一目标：从机械系统转向磁传感器，以及加速实现功能安全合规性。 磁传感器消除了由摩擦引起的恒定机械磨损。例如，在无绳电动工具中，机械触发器设计是很常见的故障模式，制造商通常要求在产品生命周期内进行>200,000次循环。使用寿命周期目标因最终产品而异，但人们期望基于磁的解决方案能够延长产品寿命。表1总结了其中的一些示 例。 表1.转向非接触式方法的工业、个人电子产品和汽车系统应用示例。 汽车电气化的出现，以及几乎所有电力驱动产品都增加了更多的电子设备，共同推动了对功能安全的需求。汽车行业的汽车产品遵循国际标准化组织的26262标准，而工业 部门则遵循国际电工委员会的61508标准。功能安全旨在 通过消除由电子系统故障引起的不合理风险来保护用户。如果系统发生故障，则应默认为可预测的已知状态。 根据严重程度或后果（可能发生的伤害程度）、暴露或可能性（发生的可能性有多大）和可控性（用户可控制的程度）、汽车和工业功能安全标准分为几类。汽车系统中需 要最高功能安全等级的几个例子是EPS或换档系统（电子换档器）。考虑到与系统故障相关的风险，这两个系统通常都需要最高汽车等级(ASILD)。 为了满足ASILD级要求，系统开发人员通常使用冗余传感器或解决方案，这些解决方案具有两个完全相同但独立的传感器，它们在内部相互隔离。两个传感器同时发生故障 的可能性非常低。这些类型的高性能系统也需要高精度角度检测。TMAG5170-Q13D传感器及其双芯片同等产品 TMAG5170D-Q1具有针对器件和系统级别的内置诊断功能。 趋势三：最终产品的整体外形小型化 第三个趋势与磁系统设计的小型化有关。缩减产品尺寸的原因很多：为了降低成本、提升用户体验、打造更时尚的 外观，这样做通常涉及缩减磁体尺寸或使用多轴传感器。 另一种风险较小的方法是通过迁移到制造流程允许的尺寸更小、集成度更高的元件来减小电路板尺寸。为了解决这些问题，德州仪器(TI)提供了采用Extra-SmallOutline 感器的主要系统级要求是使感应线圈的尺寸与目标相同，并且位于线圈直径的10%到20%范围内。趋向于缩小尺寸的应用示例包括医用胰岛素泵、手术内镜工具以及工厂自动化中的气缸。 通过减少元件数量，还可以实现小型化。例如，在电表 （或智能电子锁和门窗传感器）中实现篡改检测涉及使用单个3D线性传感器，而非三个霍尔效应开关或线性器件，来检测大型外部磁体的篡改，这种篡改导致电表无法准确测量用电量。设计人员正在使用3D磁传感器通过更低功耗和可调外部磁场检测器件（如TMAG5273）来改进 电表设计。借助此类器件还可通过更少的元件实现小型化的其他优势，包括采用单个数字接口而非多个输出，降低印刷电路板组装成本以及提高磁性灵敏度的可配置性。 当使用更少的元件来缩小系统尺寸时，增量和绝对编码器设计人员面临的一个挑战是如何提高产品的分辨率，包括 在数字或模拟输出解决方案之间进行选择。增量编码器监控磁体的移动速度或速率以及方向。绝对编码器可以做到这一点，并始终能在高分辨率下确定其确切位置。 No-lead(X2SON)(1.1mm2x1.4mm2)和WaferChip- 增量编码器设计人员使用数字输出霍尔效应锁存器时分 ScalePackaging(WCSP)(0.8mm2x0.8mm2)封装的小尺寸解决方案。在小型封装中实现高集成度的一个例子是TMAG3001，它是采用WCSP封装的3D线性解决方案。 缩减磁体尺寸会带来问题，因为这意味着磁场较弱，因此需要具有高灵敏度的磁传感器。借助TMAG5231等高灵 敏度解决方案，有望使用更小的磁体。或者，您可以将磁体放置在更靠近传感器的位置，以便在没有高灵敏度解决方案的情况下实现精确测量。对于较弱的磁场，具有高信噪比(SNR)的器件有助于确保尽可能精确的测量。DRV5055和TMAG5253可以提供高达70dB的SNR。 不论技术如何发展，缩小终端设备尺寸的大趋势对任何位 置传感器都是一个挑战。电感式传感器使用金属目标来检测物体的位置或存在，通过满足数据表中规定的指南，可以实现与健身腕带上侧按钮一样小的外形尺寸。电感式传 ， 辨率严格取决于系统中磁极的数量。实现更高的分辨率需要更高极数的环形磁体，而随着磁极尺寸变小，磁体产生 的磁场本身就会变弱，迫使设计人员将传感器放置在更靠近磁体的位置或使用灵敏度更高的传感器。此时，大多数设计人员转为使用具有双集成锁存器的单芯片解决方案，例如TMAG5111。务必确保双锁存器解决方案具有内置的 2D锁存器，这可以在监控3D空间中的任何两个轴时实现 很大的