磁性霍爾效應(yīng)編碼器堅固耐用，可在車輛所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境條件下提供高精度和精確的位置信息。

角度和運動傳感器廣泛用于車輛，用于踏板位置傳感和油門控制等應(yīng)用用于變速箱和方向盤。幾乎不需要說明，特別是在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和油門中，可靠的操作對于駕駛員，乘客，其他道路使用者和行人的安全是絕對必要的。因此，汽車傳感器必須非常堅固，并且在車輛的使用壽命期間可靠地運行。

與此同時，車輛中的電磁兼容性（EMC）標準也越來越嚴格，新一代低碳柴油和汽油發(fā)動機的開發(fā)需要更高的傳感器性能，更高的分辨率和低功耗運行。例如，在轉(zhuǎn)向應(yīng)用中，汽車設(shè)計師正在尋找能夠獲得超低待機電流的元件。甚至還有一種“按需測量”的舉措，以降低控制電子設(shè)備的功耗。

傳感器還需要適應(yīng)新的數(shù)字接口，如單邊半字節(jié)傳輸（SENT）協(xié)議和外圍傳感器接口5（PSI5），它將取代傳統(tǒng)的模擬輸出。

所有這些因素的結(jié)合正在加速取消傳統(tǒng)的接觸傳感器解決方案，并通過非接觸式傳感器進行替換。

ams率先開發(fā)了集成霍爾效應(yīng)編碼器解決方案，優(yōu)化了用于汽車應(yīng)用的AS5xxx系列傳感器。本文介紹了如何通過使用專利的差分傳感器技術(shù)來促進具有挑戰(zhàn)性的汽車條件下的穩(wěn)健性能。

免疫雜散磁場

圖1顯示了一個簡單的直徑（雙極）磁傳感器AS5163 ）磁化磁鐵。傳感器IC測量垂直場分量并計算絕對角度值。

圖1：非接觸式磁編碼器。

AS5xxx器件實現(xiàn)的差分原理是旨在消除諸如雜散磁場，振動和未對準等環(huán)境因素的影響。

圖2：差分原理涉及使用四個霍爾效應(yīng)元件。這種差分原理需要在IC內(nèi)部使用四個霍爾效應(yīng)元件。傳統(tǒng)上，磁性位置傳感器僅使用一個霍爾效應(yīng)元件。這四個元件在直徑磁化的旋轉(zhuǎn)磁體（見圖2）下方等間隔，產(chǎn)生四個正弦波形，每個相位與相鄰波形相移90度。這可以用公式表示：

其中：

a=峰值幅度

α=相對于傳感器的磁體旋轉(zhuǎn)角度通過使用差分放大相反的傳感器組：

產(chǎn)生兩個具有雙幅度的90度相移信號：

這兩個模擬信號然后被數(shù)字化在數(shù)字域中進一步處理之前的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 AS5xxx設(shè)備內(nèi)的坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機（CORDIC）使用以下公式將正弦和余弦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為角度和幅度信息：

其中：

A =測量角度

α=相對于傳感器的磁體旋轉(zhuǎn)角度

峰值幅度

取消，剩余的表達式是

傳感器IC和磁鐵之間的差距。它還消除了由雜散磁場引起的磁偏移。圖3顯示了典型傳感器磁體實現(xiàn)的橫截面。如果沿著磁體的直徑繪制垂直磁場（傳感器對其敏感）的分布，則最大值出現(xiàn)在磁體邊緣附近的極點處。磁鐵中心的中性區(qū)磁場強度為零;隨著半徑的增加，磁場強度以相對線性的方式增加。圖3：磁鐵和傳感器的橫截面。

只要所有的霍爾效應(yīng)元件在此線性范圍內(nèi)，差分信號［見公式2］將保持不變，與磁體的水平位置無關(guān)。 AS5xxx不需要線性霍爾效應(yīng)傳感器所需的溫度補償。 IC可在-40攝氏度至+ 150攝氏度的整個工作范圍內(nèi)自動校正磁場強度變化。

將使用差分原理的磁編碼器與使用鐵磁場的其他霍爾效應(yīng)編碼器解決方案進行比較是很有意思的。集中。在AS5xxx的情況下，壓力測量顯示在存在高達20.000 A/m（25 mT）的均勻雜散場時角度輸出沒有變化。當靜態(tài)和動態(tài)雜散場應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)時（見圖4），傳感器產(chǎn)生的位置信息（X，Y，Z）不受影響;傳感器設(shè)計堅固耐用。

圖4：采用亥姆霍茲線圈的AS5163傳感器和磁體，用于分析磁雜散場的影響。

使用鐵磁場聚光器的霍爾編碼器解決方案對靜態(tài)和動態(tài)雜散場非常敏感。在500至1000A/m的低磁場強度幅度下可以觀察到幾度角度誤差。為了避免這些影響，帶有場集中器的傳感器需要靠近傳感器的昂貴磁屏蔽材料。圖5顯示了動態(tài)磁雜散場（20 Hz）1000 A/m（1.26 mT）對傳感器的影響。主磁體也位于亥姆霍茲線圈中并放置在某個位置。傳感器編程為360度全轉(zhuǎn)模式，輸出范圍為0.5 V至4.5 V.振蕩代表20 Hz雜散場干擾。在這種情況下，角度誤差約為2到3度。圖5：AS5163輸出與傳感器輸出的比較，使用20 Hz的場集中器1000 A/m。

差分原理適用于任何角度。然而，使用場集中器對傳感器的影響受到磁鐵位置的強烈影響。圖6顯示了十個不同角度的傳感器輸出分析。

圖6：存在雜散磁場時角度輸出的精度。

強大的保護和診斷功能

磁干擾不是影響位置傳感器輸出的唯一環(huán)境因素。電氣干擾也會影響輸出。電源上的過壓脈沖或微中斷可隨時發(fā)生。 AS516x能夠在沒有任何損壞的情況下克服這些損壞，并在干擾消失后立即重啟而無需復位。此外，AS516x能夠承受高達+27 V的過壓脈沖。由于該器件提供-18 V反極性保護，因此也可防止連接錯誤造成的損壞。

為避免輸出短路造成永久性損壞，AS5163具有智能檢測電路。在檢測到輸出短路時，器件會關(guān)閉輸出并在延遲后重新啟動。設(shè)備會定期嘗試以降低的功率打開輸出。

此外，高環(huán)境溫度下的永久性短路不會損壞設(shè)備。

看門狗功能以及內(nèi)部和外部診斷使傳感器解決方案適用于踏板等安全關(guān)鍵應(yīng)用。

在芯片內(nèi)部故障的情況下，輸出被強制進入故障帶。過壓事件會強制輸出關(guān)閉，負載條件會將輸出拉入故障帶。使用故障頻帶還可以防止外部故障（例如VDD和GND損壞），AS516x系列可以提供4 kV靜電放電（ESD）保護。

ams還提供一個完全冗余的傳感器，帶有兩個獨立的輸出，用于安全關(guān)鍵應(yīng)用。

傳感器的強大通信

許多傳統(tǒng)傳感器將其輸出作為模擬信號提供。然后車輛的電子控制單元（ECU）必須先用ADC對其進行數(shù)字化處理才能使用。這有許多缺點。例如，電磁事件和其他噪聲源可能破壞信號，需要在ECU中使用模擬濾波器進行補償。錯誤處理也很困難且昂貴。要在1％的范圍內(nèi)實現(xiàn)小故障帶很困難，并且在所有工作條件下處理由VDD或GND損壞引起的泄漏影響具有挑戰(zhàn)性。

數(shù)字單線通信消除了這些問題。新的汽車數(shù)字接口，如SENT J2716，正在得到更廣泛的支持，新的AS5165（可從制造商XXXXX獲得）符合SENT J2716標準。 PSI5接口是另一種選擇。該界面非常強大，具有許多有價值的功能。通過電源線上的電流和電壓調(diào)制來處理雙向通信。傳感器只有兩個連接，有助于降低成本。

結(jié)論

磁性霍爾效應(yīng)編碼器可以作為旋轉(zhuǎn)和線性變體從ams獲得。它們同樣堅固耐用，可在車輛所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境條件下提供高度準確和精確的位置信息。隨著AMS繼續(xù)投資改進其磁編碼器系列，設(shè)計工程師可望繼續(xù)致力于生產(chǎn)在安全關(guān)鍵應(yīng)用中成功運行的強大設(shè)備。