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通过主动杂散场补偿来克服杂散磁场

时间:2021-01-25 作者:Frederik Berstecher,TDK-Micronas 3D位置传感器产品市场经理 阅读:
电动汽车市场每年都在快速增长。Allied Market Research predicts到2027年,电动汽车市场将从2019年的1623.4亿美元增长到8028.1亿美元。相应地,对汽车中用于位置检测的磁场传感器的需求也在增加。这些传感器具有足够的鲁棒性,可以耐受各种恶劣的环境条件,如温度、振动以及水和灰尘等。
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电动汽车市场每年都在快速增长。Allied Market Research predicts到2027年,电动汽车市场将从2019年的1623.4亿美元增长到8028.1亿美元。相应地,对汽车中用于位置检测的磁场传感器的需求也在增加。这些传感器具有足够的鲁棒性,可以耐受各种恶劣的环境条件,如温度、振动以及水和灰尘等。

但是,这些传感器的精度可能会受到其他磁性部件所形成的杂散磁场以及环境中的杂散磁场的负面影响。这为设计工程师带来了巨大挑战。

杂散磁场

汽车电动起动电机已出现了100多年,但是直到1960年代,电动交流发电机才成为量产汽车的标准配置。大量汽车开始快速采用这些部件,导致汽车中的电气元件越来越多。如今,因为能极大地提升汽车的效能,传统汽车中电气系统替代各种机械和液压系统已是普遍现象。

传感器对于提升汽车电子系统的效率和功能扩展至关重要。这些传感器与执行器结合,在汽车和电子控制单元之间形成接口,可检测系统状态并向控制单元输入数据。这些控制单元运行算法控制和调节各个电子系统,触发电信号并传递给执行器,执行器再将电信号转换为机械运动。

在12V系统中,车辆辅助系统(包括电子助力转向)会产生高电流,因此会产生杂散磁场,会对传感器和其他系统产生负面影响。此外,混合动力和电动汽车(HEV和BEV)中的电动机和电源电缆也会产生有害的杂散磁场。这些杂散磁场会降低磁传感器的精度。

匀强杂散磁场和非匀强杂散磁场(也称为梯度场)是有区别的。如果磁力线是一致的,指向同一方向并且彼此等距,则杂散磁场是匀强的。这使得特定区域内的磁通密度相同。亥姆霍兹线圈用于产生均匀的杂散磁场并进行耐用性测试,而电源电缆或其他载流导线会产生不均匀的杂散磁场。在这种情况下,当靠近导线时,杂散磁场会更强,更具破坏性且不稳定。此外,相邻的使用永磁体作为发射器的传感器系统可能会产生非均匀的杂散磁场。杂散的磁场会导致传感器发生严重且危险的故障,并会增加高达5°的测量误差。

图1:杂散磁场会导致测量误差增加

将影响最小化

为了抵抗来自这些杂散磁场的干扰,大多数制造商都制定了严格的生产标准,包括遵守ISO标准11452-8 [1]。这些标准规定了用于乘用车和商用车的电子部件的电磁抗扰度测试,这些测试表明汽车电子部件在磁场强度为4000A/m(约5mT)的低频范围内具有很高的抗干扰能力。在ISO 11452-8标准的先前版本中,仅将大约1.2 mT的杂散磁场用作干扰。对于较弱的杂散磁场,这通常足以将用于该应用的磁体调整到杂散磁场的强度或实现复杂的磁屏蔽。然而,这是昂贵的,并且研​​究表明可以在屏蔽的情况下使用较小的磁体。无论哪种情况,对磁场传感器的主动杂散场补偿都是必不可少的。

特定的霍尔效应传感器,例如TDK的MicronasHAL®39xy产品系列,可大大减少杂散磁场的干扰。这种新型霍尔效应传感器旨在确保磁场的高精度测量,并且不受杂散磁场的影响。独特的杂散磁场补偿概念系基于垂直和水平霍尔板阵列。灵活的最新霍尔效应传感器阵列技术为设计工程师提供了更大的灵活性,可以为每种测量应用选择最合适的杂散磁场补偿概念。

图2:TDK的HAL39xy霍尔效应位置传感器中的霍尔传感器排列。HAL 39xy使用Fraunhofer集成电路IIS研究所的许可证

对于上述传感器,每种测量模式使用不同组合的霍尔效应板以获得最佳性能,并将所有四种测量模式组合在一个紧凑型传感器中,而不是多个组件中

仅需使用双极磁体就可以抑制匀强杂散磁场,从而进行线性位置检测和完整360°角度测量。对于180°角度测量,可以使用四极磁体抑制梯度场。在每种情况下,这些新技术进步都符合ISO 11452-8规范,而且可以消除杂散磁场,并在传感器的集成数字信号处理器(DSP)中计算角度。 

图3:一个组件中的四种测量模式示例

其他汽车应用

对杂散磁场补偿和电子车辆系统安全性的要求(ISO 26262)变得越来越严格。其中许多标准概述了自动驾驶的严格安全要求,因此即使发生错误或故障,传感器也可以继续安全工作。因此,工程师必须对根据ISO 26262开发的霍尔效应传感器进行定制,以支持各种功能安全应用,包括制动踏板位置检测、换挡位置、废气再循环系统等。

车辆制动系统说明了抵抗杂散磁场干扰的绝对重要性。由于汽车中采用了来越多的电气部件,车辆制动系统也在发生变化。例如,许多混合动力和电动汽车通过回馈制动和自动独立制动干预来回收能量,可分别显著提高能源效率和安全性。这些系统可以使用电动机代替典型的真空制动伺服器。电机使用变速箱来驱动液压活塞,该液压活塞结合了踩下踏板时的制动伺服器功能和用于产生主动压力的牵引力控制系统。

为了检测驾驶员的制动意图,必须使用位置、压力和速度测量值来监视制动踏板。在此过程中,制动踏板与压力发生器分离。有关踏板角度的信息以电子方式传输到集成电子控制单元并计算出预期的减速度,随后通过电动机产生制动压力。电子控制单元的运行方式使大多数驾驶员都察觉不出混合动力和电动汽车中回馈制动与机械摩擦制动之间的转换。

即使受到杂散磁场的影响,位置检测器也必须始终正确工作,从而满足监管机构和消费者的高安全性要求。最新一代的制动系统中的电动机会产生电流,从而产生杂散磁场,必须以不影响位置检测器的方式对其进行补偿。

制动踏板的旋转角度范围是15°到20°,由常规磁传感器产生的杂散磁场导致的角度误差可达到5°。因此,电子控制单元可能无法正确处理位置信息。所以,至关重要的是传感器必须不受杂散磁场的干扰和影响。

传感器用于电动汽车的各种系统、阀门和致动器中,它们的精度至关重要,必须不受杂散磁场的影响。

但是,这些传感器的精度可能会受到其他磁性部件以及周围环境中的杂散磁场的负面影响。这给设计工程师带来了巨大挑战。霍尔效应传感器是可显著减少来自杂散磁场的干扰的最佳解决方案之一。

责编:Yvonne Geng

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