位置傳感器如何推動汽車和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新

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1趨勢一：系統(tǒng)電氣化

在不斷發(fā)展的汽車系統(tǒng)（包括電機(jī)和電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 系統(tǒng)）中，位置傳感器能夠以高精度測量復(fù)雜的角度。

2趨勢二：提高可靠性和安全性的需求

從機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向磁傳感器可減少磨損，同時(shí)提高對功能安全的需求。

3趨勢三：最終產(chǎn)品的整體外形小型化

高靈敏度磁體和更高的集成度可解決小型化的折衷問題，包括較低的精度和分辨率。

4趨勢四：從稀土材料到鐵氧體的過渡

在磁傳感器中，鐵氧體是稀土材料的替代品，資源豐富，成本低廉，但需要能夠補(bǔ)償其減小的磁場和溫漂。

無論您的駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富與否，都有可能沒注意到方向盤甚至制動系統(tǒng)在不同車輛之間有什么差異。這是設(shè)計(jì)使然。操控方面的改進(jìn)為駕駛員提供了更多便利，但總體而言，這些系統(tǒng)的感覺相對保持不變，以確保無論哪一年的車型，用戶體驗(yàn)都是一樣的。

然而，隨著時(shí)間的推移，這些系統(tǒng)中使用的技術(shù)也在不斷發(fā)展，位置傳感器就是其中的重要組成部分。

當(dāng)今有許多類型的位置傳感器可供使用，包括超聲波、光學(xué)、磁、電容和電感式傳感器。位置傳感集成電路 (IC) 可檢測物體的運(yùn)動，并將輸入信號轉(zhuǎn)換為適用于微控制器 (MCU) 處理和控制的電信號。在本文中，當(dāng)提及位置傳感器時(shí)，您可以假設(shè) IC 傳感器使用霍爾效應(yīng)、各向異性磁阻 (AMR) 或電感技術(shù)。圖 1 說明了這三種傳感器類型的基本功能。

圖 1. 霍爾效應(yīng)、AMR 和電感傳感器功能。

在霍爾效應(yīng)技術(shù)中，電流會被導(dǎo)入鐵磁材料中。施加磁場（標(biāo)記為 B 場，請參閱圖 1）會產(chǎn)生垂直于電流流動的霍爾電壓。

AMR 傳感器的電阻隨施加的磁場而降低。此外，各向異性方面意味著 AMR 傳感器取決于施加的磁場的方向。

電感式傳感器使用傳感器線圈（電感器）來產(chǎn)生自己的磁場，這些磁場與金屬目標(biāo)上形成的渦流產(chǎn)生的磁場耦合。

位置傳感器如何推動汽車和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新 2 March 2024本白皮書討論了位置檢測的四種當(dāng)前趨勢：系統(tǒng)電氣化、提高可靠性和安全性的需求、整體最終產(chǎn)品外形的小型化以及從稀土材料到鐵氧體的過渡。通過了解 IC 傳感器的最新改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員可以從中受益，這些傳感器現(xiàn)在更加精確和靈敏，能夠提供更高的分辨率和更多功能，功耗比以往更低，同時(shí)采用越來越小的封裝。

趨勢一：系統(tǒng)電氣化

自動駕駛、對更好用戶體驗(yàn)的需求以及減少溫室氣體排放的推動力，使得汽車電氣化程度不斷提高，這需要在汽車中安裝更多的半導(dǎo)體器件，包括位置傳感器。這是我們的第一個(gè)趨勢。

熱效率對于電動汽車 (EV) 至關(guān)重要。電動泵將冷卻劑（如機(jī)油和水乙二醇）在整個(gè)車輛內(nèi)循環(huán)，以控制各種系統(tǒng)的溫度。多個(gè)電子控制單元 (ECU) 控制這些系統(tǒng)。電動汽車開啟后，MCU 可以通過監(jiān)測溫度來確定是否有足夠的冷卻液泵送到特定系統(tǒng)。電動泵增量旋轉(zhuǎn)編碼器中使用的高分辨率霍爾效應(yīng)傳感器使微處理器能夠更高效地響應(yīng)熱事件。諸如高帶寬 TMAG5110-Q1 之類的器件可提供低延遲輸出，同時(shí)還提供高靈敏度功能，從而讓設(shè)計(jì)人員在傳感器放置方面擁有更大靈活性。

各原始設(shè)備制造商 (OEM) 的轉(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì)不盡相同，但常用的實(shí)現(xiàn)方式是連接多個(gè)控制模塊，并管理多個(gè)開關(guān)和按鈕控制功能，例如轉(zhuǎn)向燈、前照燈、雨刮器、巡航控制和滾輪。以前考慮到自動駕駛或舒適性原因，這些功能是采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在已成為同時(shí)具有磁性功能的電氣解決方案。對于大多數(shù)應(yīng)用，TMAG5170D-Q1 和 TMAG5173-Q1 能夠以高精度測量復(fù)雜角度，從而滿足汽車安全完整性等級 (ASIL) B 甚至 ASIL D 系統(tǒng)級合規(guī)性。圖 2 顯示了經(jīng)過改裝，以使用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器開發(fā)板代替機(jī)械觸點(diǎn)的 OEM 轉(zhuǎn)向柱控制模塊。

圖 2. 轉(zhuǎn)向柱加裝 TI 3D 傳感器評估模塊。

電機(jī)位置檢測是電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本方面，可確保電機(jī)以卓越效率運(yùn)行。隨著功效要求的提高，位置傳感器的性能預(yù)期也會提高，這些傳感器能夠高精度地監(jiān)測電機(jī)軸的精確旋轉(zhuǎn)位置。通過了解電機(jī)的位置，牽引逆變器中的微處理器和功率級可以為電機(jī)線圈提供精確的電流量，從而更高效地管理扭矩。挑戰(zhàn)在于當(dāng)電機(jī)以全速（100,000rpm 或更高）運(yùn)行時(shí)，如何以盡可能高的精度（約 0.5°）在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)測量角度。由于 LDC5072-Q1 電感式傳感器（也稱為電感式旋轉(zhuǎn)變壓器）本身對雜散磁場具有抗擾度，因此適用于此任務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)好處是不需要磁體。圖 3 顯示了頂部安裝了牽引逆變器的電機(jī)。

圖 3. 電機(jī)和牽引逆變器。

汽車電氣化為位置傳感器創(chuàng)造了許多用例，其中電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 最為普遍。隨著 EPS 的不斷發(fā)展，電機(jī)位置傳感器和車輪位置傳感器的精度和分辨率要求也不斷提高。

在 EPS 系統(tǒng)中，TMAG6181-Q1 可以非常精確地提供電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，角度誤差低至 0.4°，并支持高達(dá) 100,000rpm 的轉(zhuǎn)速，延遲小于 2μs，而 TMAG5170D-Q1 有助于確定方向盤的 3D 位置。方向盤角度傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到 ECU，以實(shí)現(xiàn)出色的車輛操作和控制。

位置傳感器如何推動汽車和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新 3 March 2024電氣化不僅涉及汽車，還涉及電動自行車、踏板電動自行車和電動踏板車等運(yùn)輸系統(tǒng)。雖然這些產(chǎn)品已經(jīng)問世多年，但在電機(jī)換向、轉(zhuǎn)速和輪速感應(yīng)方面仍有新的進(jìn)步，需要位置傳感器。電動自行車有幾種新趨勢值得注意：

• 電機(jī)換向之前是通過三鎖存器無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，但大多數(shù)電動自行車電機(jī)提供商現(xiàn)在都通過高速、高精度角度傳感器來監(jiān)控電機(jī)。TMAG6180-Q1 AMR 傳感器具有高精度角度測量（室溫下為 0.1°），因此非常適合這種應(yīng)用。
• 使用 TMAG5115 等霍爾效應(yīng)鎖存器進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)速和節(jié)奏監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)低抖動和快速響應(yīng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)精度更高的速度和方向測量。過去，霍爾效應(yīng)開關(guān)主要用于車輪轉(zhuǎn)速檢測。

趨勢二：提高可靠性和安全性的需求

在開發(fā)工業(yè)、個(gè)人電子產(chǎn)品和汽車系統(tǒng)的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還在思考如何使他們的設(shè)計(jì)更可靠，以延長產(chǎn)品的壽命。位置檢測的一個(gè)新趨勢涉及到通過幾種不同的方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：從機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向磁傳感器，以及加速實(shí)現(xiàn)功能安全合規(guī)性。

磁傳感器消除了由摩擦引起的恒定機(jī)械磨損。例如，在無繩電動工具中，機(jī)械觸發(fā)器設(shè)計(jì)是很常見的故障模式，制造商通常要求在產(chǎn)品生命周期內(nèi)進(jìn)行 >200,000 次循環(huán)。使用壽命周期目標(biāo)因最終產(chǎn)品而異，但人們期望基于磁的解決方案能夠延長產(chǎn)品壽命。表 1 總結(jié)了其中的一些示例。

表 1. 轉(zhuǎn)向非接觸式方法的工業(yè)、個(gè)人電子產(chǎn)品和汽車系統(tǒng)應(yīng)用示例。

汽車電氣化的出現(xiàn)，以及幾乎所有電力驅(qū)動產(chǎn)品都增加了更多的電子設(shè)備，共同推動了對功能安全的需求。汽車行業(yè)的汽車產(chǎn)品遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的 26262 標(biāo)準(zhǔn)，而工業(yè)部門則遵循國際電工委員會的 61508 標(biāo)準(zhǔn)。功能安全旨在通過消除由電子系統(tǒng)故障引起的不合理風(fēng)險(xiǎn)來保護(hù)用戶。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則應(yīng)默認(rèn)為可預(yù)測的已知狀態(tài)。

根據(jù)嚴(yán)重程度或后果（可能發(fā)生的傷害程度）、暴露或可能性（發(fā)生的可能性有多大）和可控性（用戶可控制的程度）、汽車和工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)分為幾類。汽車系統(tǒng)中需位置傳感器如何推動汽車和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新 4 March 2024要最高功能安全等級的幾個(gè)例子是 EPS 或換檔系統(tǒng)（電子換檔器）。考慮到與系統(tǒng)故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，這兩個(gè)系統(tǒng)通常都需要最高汽車等級 (ASIL D)。

為了滿足 ASIL D 級要求，系統(tǒng)開發(fā)人員通常使用冗余傳感器或解決方案，這些解決方案具有兩個(gè)完全相同但獨(dú)立的傳感器，它們在內(nèi)部相互隔離。兩個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)生故障的可能性非常低。這些類型的高性能系統(tǒng)也需要高精度角度檢測。TMAG5170-Q1 3D 傳感器及其雙芯片同等產(chǎn)品 TMAG5170D-Q1 具有針對器件和系統(tǒng)級別的內(nèi)置診斷功能。

趨勢三：最終產(chǎn)品的整體外形小型化

第三個(gè)趨勢與磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化有關(guān)?？s減產(chǎn)品尺寸的原因很多：為了降低成本、提升用戶體驗(yàn)、打造更時(shí)尚的外觀，這樣做通常涉及縮減磁體尺寸或使用多軸傳感器。

另一種風(fēng)險(xiǎn)較小的方法是通過遷移到制造流程允許的尺寸更小、集成度更高的元件來減小電路板尺寸。為了解決這些問題，德州儀器 (TI) 提供了采用 Extra-Small Outline No-lead (X2SON) (1.1mm2x 1.4mm2) 和 Wafer ChipScalePackaging (WCSP) (0.8mm2x 0.8mm2) 封裝的小尺寸解決方案。在小型封裝中實(shí)現(xiàn)高集成度的一個(gè)例子是 TMAG3001，它是采用 WCSP 封裝的 3D 線性解決方案。

縮減磁體尺寸會帶來問題，因?yàn)檫@意味著磁場較弱，因此需要具有高靈敏度的磁傳感器。借助 TMAG5231 等高靈敏度解決方案，有望使用更小的磁體?；蛘?，您可以將磁體放置在更靠近傳感器的位置，以便在沒有高靈敏度解決方案的情況下實(shí)現(xiàn)精確測量。對于較弱的磁場，具有高信噪比 (SNR) 的器件有助于確保盡可能精確的測量。

DRV5055 和 TMAG5253 可以提供高達(dá) 70dB 的 SNR。
不論技術(shù)如何發(fā)展，縮小終端設(shè)備尺寸的大趨勢對任何位置傳感器都是一個(gè)挑戰(zhàn)。電感式傳感器使用金屬目標(biāo)來檢測物體的位置或存在，通過滿足數(shù)據(jù)表中規(guī)定的指南，可以實(shí)現(xiàn)與健身腕帶上側(cè)按鈕一樣小的外形尺寸。電感式傳感器的主要系統(tǒng)級要求是使感應(yīng)線圈的尺寸與目標(biāo)相同，并且位于線圈直徑的 10% 到 20% 范圍內(nèi)。趨向于縮小尺寸的應(yīng)用示例包括醫(yī)用胰島素泵、手術(shù)內(nèi)鏡工具以及工廠自動化中的氣缸。

通過減少元件數(shù)量，還可以實(shí)現(xiàn)小型化。例如，在電表（或智能電子鎖和門窗傳感器）中實(shí)現(xiàn)篡改檢測涉及使用單個(gè) 3D 線性傳感器，而非三個(gè)霍爾效應(yīng)開關(guān)或線性器件，來檢測大型外部磁體的篡改，這種篡改導(dǎo)致電表無法準(zhǔn)確測量用電量。設(shè)計(jì)人員正在使用 3D 磁傳感器通過更低功耗和可調(diào)外部磁場檢測器件（如 TMAG5273）來改進(jìn)電表設(shè)計(jì)。借助此類器件還可通過更少的元件實(shí)現(xiàn)小型化的其他優(yōu)勢，包括采用單個(gè)數(shù)字接口而非多個(gè)輸出，降低印刷電路板組裝成本以及提高磁性靈敏度的可配置性。

當(dāng)使用更少的元件來縮小系統(tǒng)尺寸時(shí)，增量和絕對編碼器設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何提高產(chǎn)品的分辨率，包括在數(shù)字或模擬輸出解決方案之間進(jìn)行選擇。增量編碼器監(jiān)控磁體的移動速度或速率以及方向。絕對編碼器可以做到這一點(diǎn)，并始終能在高分辨率下確定其確切位置。

增量編碼器設(shè)計(jì)人員使用數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)鎖存器時(shí)，分辨率嚴(yán)格取決于系統(tǒng)中磁極的數(shù)量。實(shí)現(xiàn)更高的分辨率需要更高極數(shù)的環(huán)形磁體，而隨著磁極尺寸變小，磁體產(chǎn)生的磁場本身就會變?nèi)?，迫使設(shè)計(jì)人員將傳感器放置在更靠近磁體的位置或使用靈敏度更高的傳感器。此時(shí)，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)為使用具有雙集成鎖存器的單芯片解決方案，例如 TMAG5111。務(wù)必確保雙鎖存器解決方案具有內(nèi)置的
D 鎖存器，這可以在監(jiān)控 3D 空間中的任何兩個(gè)軸時(shí)實(shí)現(xiàn)很大的靈活性。更高分辨率的設(shè)計(jì)需要帶有線性傳感器的絕對編碼器。具有角度測量功能的單個(gè) 3D 線性傳感器是高分辨率絕對編碼器的最終遷移步驟。請注意，此實(shí)現(xiàn)僅測量兩個(gè)軸，但大多數(shù) 3D 線性傳感器可以靈活地配置任何兩個(gè)軸。使用 3D 傳感器的一個(gè)額外好處是能夠檢測按壓功能。圖 4 展示了編碼器設(shè)計(jì)的趨勢。

圖 4. 編碼器的更高分辨率趨勢。

趨勢四：從稀土材料到鐵氧體的過渡

稀土材料的生產(chǎn)主要集中在全球少數(shù)幾個(gè)國家/地區(qū)。這些材料并非取之不盡、用之不竭，按照目前的消耗速度，如果不進(jìn)行回收利用，預(yù)計(jì)世界儲量很可能在 21 世紀(jì)下半葉耗盡 [1]。

一些公司已經(jīng)開始通過將一些磁體消耗轉(zhuǎn)移到鐵氧體材料來減少依賴和地緣政治風(fēng)險(xiǎn)。鐵氧體磁鐵的成本僅為稀土磁鐵（如釹鐵硼）的一小部分，而且由于鐵氧體材料豐富，價(jià)格穩(wěn)定。使用鐵氧體磁體的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的磁場大大減少，降低了多達(dá) 10 倍，并且溫漂為 0.2%/°C。

德州儀器 (TI) 的 TMAG5170 和 TMAG5273 磁傳感器與陶瓷鐵氧體或稀土磁體配合使用，并具有專門針對這些磁體類型的溫漂補(bǔ)償功能。

結(jié)語

創(chuàng)新是工業(yè)和汽車系統(tǒng)不可或缺的一部分，位置傳感器對于需要精確測量線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的應(yīng)用至關(guān)重要。隨著各個(gè)行業(yè)采用新型技術(shù)，市場對提升安全和用戶體驗(yàn)的需求將持續(xù)增長，進(jìn)而需要精確的感應(yīng)技術(shù)。德州儀器 (TI) 的位置傳感器正在推動這四個(gè)趨勢，公司將在未來繼續(xù)開發(fā)位置傳感器，以支持下一波浪潮。

參考資料

1. Britannica. n.d. “Abundance, Occurrence, and Reserves.” 2023 年 10 月 24 日。

其他資源

1. 閱讀白皮書，將霍爾效應(yīng)傳感器用于非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼和旋鈕應(yīng)用。

2. 閱讀設(shè)計(jì)指南，使用 LDC1314 電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 1o 轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)指南。

3. 閱讀技術(shù)文章，儀表防篡改：阻止那些討厭的篡改電表者。

4. 閱讀應(yīng)用手冊，利用 2D 霍爾效應(yīng)傳感器減少增量旋轉(zhuǎn)編碼的正交誤差。

5. 請參閱 TMAG5115 評估模塊用戶指南。