【導讀】現代汽車集成了越來越多的技術和系統來輔助駕駛，測量汽車的角運動或旋轉因此變得越來越重要。為了精簡用戶接口的數量，許多汽車都通過單個旋鈕選擇器來實現系統選項控制。與此同時，很多之前的手動功能（例如座椅位置調節、關門和尾門機械裝置）也逐步電動化。實現這些功能都需要控制電機的旋轉、位置和速度。在這些應用領域，磁性角度傳感器被用來提供高度可靠且無接觸的角度、旋轉位置或速度測量。本文介紹了MPS的MagAlpha MAQ470和 MAQ430汽車級角度傳感器在這個領域中的應用。
現代車輛可以為駕駛員提供娛樂、通信、導航和引擎系統的電子控制功能，車輛因此變得愈加復雜。而用戶接口必須非常簡潔，才能保持駕駛座艙的整潔，并避免駕駛員分心。通常，車輛會采用單個中央旋轉控件，滾動顯示車內各系統的面板菜單并進行選擇。這個用戶接口在每次駕駛中都會被用到，因此需要高可靠性的解決方案來保證較長的使用壽命。機械或電位計旋轉開關存在機械磨損的問題，而且易受環境因素（例如潮氣或灰塵侵入）的影響而導致早期故障。而磁性角度傳感器為非接觸式，可以提供高度可靠的旋轉位置檢測。他們還可以在按下或拉起選擇旋鈕時測量磁場強度的變化，從而代替機械按鈕。
一些最新的高級用戶接口還可以針對所選的特定功能通過旋鈕提供觸覺反饋。例如，在電話接口模式下，數字0-9的選擇被電氣轉換為10個固定的旋鈕凹齒。而音量控制模式有更多的小齒，以便在轉動旋鈕時產生平滑的齒輪感。這種觸覺系統采用鏈接至選擇器旋鈕的電機或螺管線圈在步長之間調節機械閾值。他們需要結合所選功能進行角度感應和轉速測量，以控制凹齒的數量和反饋給用戶的觸覺效果。
MAQ470提供了許多便捷的接口來讀取角度位置信息并檢測速度或旋轉方向（見圖1）。它通過SPI / SSI或PWM接口以12位（3-sigma）精度輸出絕對旋轉角度信息。而PWM信號還可以在外部進一步濾波轉換為模擬電壓，以模擬電位計系統。 MAQ470還提供了可編程脈沖計數的ABZ正交增量編碼器接口，以提供速度和旋轉方向信息，用于實現滾動菜單顯示或調整音量控制功能。MAQ470提供了8個可編程的磁場閾值，用來檢測磁體和傳感器之間距離的變化，從而通過非接觸式按鈕來選擇功能（參見圖2）。 MAQ470可以在30mT至150mT的寬磁場范圍內工作。其8個閾值以大約15mT的步長調節。
圖1：MAQ470磁性角度傳感器功能框圖
圖2：帶按鈕的旋鈕示例
電機在現代汽車中的應用迅速增加，它們不僅可以提高動力傳動系統的性能和效率，而且可以將以前的手動功能自動化，從而提高駕駛員的便利性和舒適性。這些手動功能包括座椅位置調節、空調混合設置、彈出式門把手，以及用于車門、天篷和尾門的電動輔助結構，如圖3所示。隨著大型車輛（例如SUV）的普及，因為尺寸和重量的原因，其車門和尾門的開關也逐漸電動化。除了感應車門或尾門的完全打開或關閉，系統還需要符合安全要求，要能夠感應到是否有障礙物（例如駕駛員的手）卡住，并迅速停止或倒轉電機驅動器，以避免造成傷害。這些都要求快速反饋電機轉速的細微變化。從這方面來說， MAQ430等傳感器實現了兩個功能。首先，它可以通過SPI / SSI總線或ABZ增量編碼器接口監測絕對角度、速度、方向或轉數（請參見圖4）。其次，對于無刷電機系統， MAQ430傳感器可以模擬傳統的3霍爾傳感器UVW換向信號，以通知電機驅動器何時為各相繞組通電。通過添加 MAQ430傳感器，可以實現全無刷伺服電機。汽車中的此類電機有時也稱為緊湊型無刷電機控制器（CBA）。
圖3：電動和自動化控制
圖4：MAQ430磁性角度傳感器功能框圖
在這類電機控制器設計中，尺寸通常很關鍵，它可以最小化車輛重量并滿足嚴格的機械結構限制。 MAQ470或MAQ430采用小尺寸QFN（3mmx3mm）封裝，在同軸拓撲中，典型的盤式磁體尺寸僅為3mm（直徑） x 2mm（高度），這使得解決方案緊湊且具經濟效益。
這些傳感器還可以在多種磁體和傳感器位置拓撲結構下運行。除了常見的同軸磁體位置以外， MAQ470和MAQ430還支持兩種類型的側軸配置（請參見圖5）。
圖5：MAQ430 / MAQ 470磁性角度傳感器磁感應拓撲
側軸配置增加了可選的機械選件，并使設計更加緊湊。對于需要冗余以確保安全的系統，側軸模式還允許將兩個傳感器圍繞磁體軸線相對于彼此布置在90°或180°的位置。
對于不需要絕對位置的應用，可以采用多極環形磁體來提高傳感器的有效分辨率。傳感器檢測磁環上每個磁極對的360°磁旋轉。 例如，在電機換向應用中，磁環上的極數可以與轉子的極數匹配。傳感器可以存儲可調偏移量，這樣，在電機生產期間，傳感器磁極可以與轉子磁極對齊。
MAQ470和 MAQ430磁性角度傳感器均符合AECQ 等級1標準，并支持-40至+ 125°C的工作溫度，可以滿足上述典型的汽車座艙和車身系統要求。這些器件采用16引腳QFN 3mmx3mm塑料封裝，側面鍍錫以輔助生產焊點檢查。
MagAlpha MAQ470和 MAQ430傳感器提供了高度可靠且無接觸的方法來測量汽車系統中的角度、位置和速度。其尺寸緊湊、角度輸出格式多樣、磁體位置拓撲靈活，可以輕松實現經濟高效的角度傳感器和電機控制器。
來源：MPS，作者：Dave Baker, MPS Sensor Division
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