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Triaxis技术开启汽车精密化新纪元

2019-09-06

  先进的磁感应技术对于未来汽车的发展至关重要。

  随着现代车辆构造日益精密,车内电子元件数量也逐年增长,机械系统正逐渐被电子系统所取代,这一发展趋势解决了很多问题,但同时也带来了新的挑战。在电动汽车和配备电气系统的传统汽车中,测量多个区域中的电流变得愈发重要,这有助于精确检测车辆安全运行不可或缺的众多运动部件的位置。

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  随着繁琐和不可靠的机电解决方案逐渐被淘汰,磁感应和霍尔效应已成为多种测量和定位解决方案的核心。然而,许多实施方案仅在单个平面中有效,其他方案则容易受到现代汽车中大量杂散磁场的影响。

  在本篇技术文章中,Melexis 将探讨如何在现代汽车中使用磁技术进行简单可靠且精确安全的电流和位置测量。

  过去数年中,电动汽车 (EV) 和混合电动汽车 (HEV) 已经开始投入实际应用。国际清洁交通委员会 (ICCT) 的调查数据印证了这一点:在 2010 年,全球电动汽车市场几乎可以忽略不计,而截至 2015 年,电动汽车的销量已达到 500,000 台,并且销售数字仍在持续增长。即使是传统的内燃机 (ICE) 汽车,电气化也已成为主流趋势,诸多原有的机械和液压系统均被更清洁、轻便、高效且可靠的电气系统所取代。

  随着车辆构造愈发复杂,发动机控制单元 (ECU) 等计算机系统控制的功能也日益增多。然而,此类系统需要感测汽车的关键运行参数才能实现精确运行。很多主要电气系统(如电池组、电机和泵)均需要掌握电流情况。ECU 同样需要清楚节气门体、换挡杆或驻车制动器等机械装置的位置,以便准确控制车辆。

  虽然测量电流和位置的方法多种多样,但使用磁技术和霍尔效应原理能够以简单可靠的非接触式手段轻松解决这一工程挑战。

  电流感应技术

  传统的电流感应方法相对繁琐,并且通常涉及电流变压器,必须断开电路以便插入测量变压器。即使是传统的霍尔效应传感也不够简单直接,因为传统霍尔效应传感器只能测量垂直于器件表面的电流。这需要使用有间隙的铁磁芯提供磁增益并对齐磁场,以便传感器进行测量。

  而磁芯的存在也会限制此类方法的效果。所选的形状和材料也会影响解决方案的饱和度、磁滞、频率响应和热漂移。

  基于半导体的 IMC-Hall? 传感器 IC 可通过集磁片 (IMC) 直接测量电流。IMC 由具有高磁导率和低磁滞的非晶磁性材料制成,可将平行于芯片表面的外部磁场局部转换为垂直磁场,以便传统霍尔元件进行感测。与传统方法相比,IMC 与霍尔效应传感器的结合可以提供更高的磁灵敏度。

  位置感应技术

  许多传统霍尔效应传感器只能感应垂直于 IC 的磁通量。虽然这些器件能够用于油门踏板位置检测、换挡杆检测以及汽车环境中的其他类似应用,但是可能需要研发复杂(且昂贵)的定制化磁场结构才能得到所需的测量结果。

  Triaxis? 传感器 IC 采用创新型磁感应技术,可通过 IMC 测量单颗 IC 的三个磁通分量。利用上述三个磁通分量,可以打造出能检测旋转(角度)、线性(行程)或操纵杆运动的二维或三维传感器。

  磁感应技术

  Melexis MLX91208 是一款搭载汽车类标准 Triaxis? 霍尔技术的单片电流传感器 IC,集成 IMC,可提供极高的灵敏度。MLX91208 采用 SOIC8 小型封装,能够测量下至几安、上至 1000 安的电流。这款高度可编程和可配置的器件具有 3μs 的超短响应时间,带宽从直流至 250kHz。用户可以编程线性传输特性,并选择成比例的模拟量输出。该器件适用于多种汽车电流传感应用,可构成智能保险丝的核心部分。

  MLX90371 是另一款基于 Triaxis? 霍尔技术的单片传感器 IC,可以提供绝对位置感应功能。传感器由一个磁性前端、一个模数信号转换器、一个用于高级信号处理的 DSP 和一个输出级驱动器组成。其搭载的三维 Triaxis? 技术可通过模拟量输出或 PWM 输出对任意移动磁体的绝对旋转或线性位置进行非接触式感测。另一个版本 (MLX90372) 则可提供 SENT (SAE J2716) 或 PWM 输出。

  MLX90371 符合 ASIL-B 标准,MLX90372 符合 ASIL-C 标准。两款器件均采用无 PCB 双模封装 (DMP),无需 PCB 即可直接集成到小型传感组件中。

  现代车辆应用的关键挑战之一,是能否在大量杂散磁场的影响下(尤其是在高度电气化的 EV 和 HEV 中)准确检测磁体位置。通过测量磁场梯度,MLX90371 和 MLX90372 本身可避免高达 4kA/m(或 5mT)的杂散场的影响,能够满足大多数汽车应用的需求。另一大优势是可以使用尺寸更小的低成本磁体,对于空间和成本受限的汽车应用而言,无疑是一种简洁有效的解决方案。

  MLX90372 还包含一个额外引脚,可用于将外部传感器(如温度或压力传感器)集成到 SENT 总线中,降低系统复杂度。

  总结高效、准确、可靠的电流和位置感应对于现代汽车至关重要。能够实现非接触式感应的磁感应技术正愈发受到青睐,Melexis 的 IMC 专利技术和 Triaxis?专利技术将助力工程师解决汽车应用中的设计难题。


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