差分磁电流传感和位置传感

Ted Smith

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简介

磁传感是一项重要的现代传感技术。它不仅可以提高位置传感和电流传感应用的性能，还能缩小产品尺寸并降低成本。对于位置传感，磁传感器提供了一种非接触式的解决方案，这减小了系统尺寸，降低了系统复杂性和维护量，因此是汽车、机器人和工业自动化等应用的理想选择；对于电流传感，磁传感器则通过固有电流隔离确保了安全、精确的测量，它尤其适用于太阳能、变速驱动器、电动汽车充电和电机控制等大功率应用。

随着各行各业对更小、更精确的抗干扰传感器的需求不断增加，差分传感对于在杂散磁场无可避免的环境中提升传感器精度至关重要。MPS位置传感器产品，如 MA900 和 MAQ79010FS ，就利用差分传感技术实现了关键应用精度与可靠性的提升。

磁传感精度的重要性

汽车、机器人、航空航天和医疗等行业对传感解决方案的精度要求越来越高。精确的测量对于实现高安全性和高效率也愈加重要。尤其是在电动汽车 (EV) 等应用中，精确的电流传感对电池管理和电机驱动十分关键，即使是微小的误差也可能导致效率低下甚至系统故障。随着系统复杂性越来越高，对精度的要求也越来越严格，有些应用甚至要求亚度级的角度传感精度和 1%至2% 的电流传感精度。

满足这些标准是极具挑战性的，因为提高灵敏度会使传感器更易受到噪声的影响。此时就需要用到差分传感、噪声消除和屏蔽改进等技术。温度的稳定性也很重要，比如在汽车应用中，传感器读数会随着温度的变化而漂移。此外，随着传感器越来越小以适应紧凑型系统集成，要在不受干扰的情况下保持精度也越来越难。尤其是在消费电子产品中，在高性能与成本控制之间取得平衡成为一项关键挑战。

磁传感中的干扰源

磁传感器很容易受自然和人为外部磁场的干扰。甚至地球磁场都可能带来干扰，使高精度应用中的测量读数失真。此外，电机定子的漏磁通也会干扰附近的传感器，因此需要屏蔽或差分传感。如果传感器附近存在铁磁材料，磁场将会被进一步扭曲，并导致测量精度下降。

在大电流系统中，磁传感的其他干扰源还包括电感和变压器等载流元件产生的磁场。多相电机中邻相目标磁体间也可能相互干扰，从而产生噪声并使位置传感复杂化。

差分传感拓扑

差分传感通过消除磁场共模干扰来提高磁传感器的精度，这种拓扑结构在外部磁场和噪声严重的环境中非常有效。其设计通过两个或多个传感元件（例如平面霍尔元件或 TMR 元件）测量不同点的磁场，消除外部来源（例如电机或杂散场）的干扰，并聚焦于目标信号。

差分传感的益处包括：

消除对两个传感器产生均等影响的外部场干扰；
提升信号保真度，聚焦目标磁信号以实现精确的测量；
提高精度，在汽车和工业等应用中提供精确的读数。

差分传感的实现

在电流传感应用中，在载流导体两侧放置两个霍尔效应传感器用于检测磁场，同时消除外部干扰。差分传感可确保精确的电流测量（尤其是在电动汽车电池系统或电机控制等复杂的电磁环境中），同时提高效率和安全性。

在位置传感应用中，差分拓扑可用于比较不同点的磁场，从而过滤干扰。但需注意，差分传感器需要与目标磁体同轴对齐，因为离轴磁体也被视为干扰场。

除了上述方法外，还可以将多个霍尔元件集成在单个芯片上，以对称方式测量导体周围的磁场，从而提高精度并使传感器在高 EMI 环境中有效工作。对需要高精度和高可靠性的应用而言，霍尔元件是理想的选择。

差分传感的应用

对于需要在复杂电磁环境中实现精确位置传感的应用，差分检测十分必要。例如，在汽车油门控制应用中，采用差分检测的磁性位置传感器可以消除发动机组件或外部磁源的干扰，确保精确的油门读数。在电动助力转向系统中，差分传感器可以通过检测转向柱上的磁体位置精确反馈转向角度，并且不受外部噪声的影响。此外，机器人技术也受益于此，即使在强电磁干扰环境中，差分位置传感器也能精确检测关节或运动部件的位置。MPS 传感器 MA900 和 MAQ79010 采用该项技术在汽车和工业应用中提供精确可靠的位置检测。图 1所示为 MA900 的典型应用。

图1: MA900 的典型应用

对于电流传感应用，在大电流、强噪声环境中，差分电流传感更加必要。例如在电动汽车或可再生能源系统的电池管理系统（BMS）中，差分电流传感器可监测电池电流，实现高效能源管理。在电机控制系统中，这些传感器通过提供精确的电流测量来确保安全高效的运行，即使存在电机噪声也没有影响。同样，在大型机器会产生严重电磁干扰（EMI）的工业自动化应用中，MPS 电流传感器也能提供精确的电流读数。