MagAlpha MAQ430 & MAQ470：12位汽车级磁性角度传感器

By Dave Baker, MPS Sensor Division

现代汽车集成了越来越多的技术和系统来辅助驾驶，测量汽车的角运动或旋转因此变得越来越重要。为了精简用户接口的数量，许多汽车都通过单个旋钮选择器来实现系统选项控制。与此同时，很多之前的手动功能（例如座椅位置调节、关门和尾门机械装置）也逐步电动化。实现这些功能都需要控制电机的旋转、位置和速度。在这些应用领域，磁性角度传感器被用来提供高度可靠且无接触的角度、旋转位置或速度测量。本文介绍了MPS的MagAlpha MAQ470和 MAQ430汽车级角度传感器在这个领域中的应用。

现代车辆可以为驾驶员提供娱乐、通信、导航和引擎系统的电子控制功能，车辆因此变得愈加复杂。而用户接口必须非常简洁，才能保持驾驶座舱的整洁，并避免驾驶员分心。通常，车辆会采用单个中央旋转控件，滚动显示车内各系统的面板菜单并进行选择。这个用户接口在每次驾驶中都会被用到，因此需要高可靠性的解决方案来保证较长的使用寿命。机械或电位计旋转开关存在机械磨损的问题，而且易受环境因素（例如潮气或灰尘侵入）的影响而导致早期故障。而磁性角度传感器为非接触式，可以提供高度可靠的旋转位置检测。他们还可以在按下或拉起选择旋钮时测量磁场强度的变化，从而代替机械按钮。

一些最新的高级用户接口还可以针对所选的特定功能通过旋钮提供触觉反馈。例如，在电话接口模式下，数字0-9的选择被电气转换为10个固定的旋钮凹齿。而音量控制模式有更多的小齿，以便在转动旋钮时产生平滑的齿轮感。这种触觉系统采用链接至选择器旋钮的电机或螺管线圈在步长之间调节机械阈值。他们需要结合所选功能进行角度感应和转速测量，以控制凹齿的数量和反馈给用户的触觉效果。

MAQ470提供了许多便捷的接口来读取角度位置信息并检测速度或旋转方向（见图1）。它通过SPI / SSI或PWM接口以12位（3-sigma）精度输出绝对旋转角度信息。而PWM信号还可以在外部进一步滤波转换为模拟电压，以模拟电位计系统。 MAQ470还提供了可编程脉冲计数的ABZ正交增量编码器接口，以提供速度和旋转方向信息，用于实现滚动菜单显示或调整音量控制功能。MAQ470提供了8个可编程的磁场阈值，用来检测磁体和传感器之间距离的变化，从而通过非接触式按钮来选择功能（参见图2）。 MAQ470可以在30mT至150mT的宽磁场范围内工作。其8个阈值以大约15mT的步长调节。

图1：MAQ470磁性角度传感器功能框图

图1：MAQ470磁性角度传感器功能框图

图2：带按钮的旋钮示例

电机在现代汽车中的应用迅速增加，它们不仅可以提高动力传动系统的性能和效率，而且可以将以前的手动功能自动化，从而提高驾驶员的便利性和舒适性。这些手动功能包括座椅位置调节、空调混合设置、弹出式门把手，以及用于车门、天篷和尾门的电动辅助结构，如图3所示。随着大型车辆（例如SUV）的普及，因为尺寸和重量的原因，其车门和尾门的开关也逐渐电动化。除了感应车门或尾门的完全打开或关闭，系统还需要符合安全要求，要能够感应到是否有障碍物（例如驾驶员的手）卡住，并迅速停止或倒转电机驱动器，以避免造成伤害。这些都要求快速反馈电机转速的细微变化。从这方面来说， MAQ430等传感器实现了两个功能。首先，它可以通过SPI / SSI总线或ABZ增量编码器接口监测绝对角度、速度、方向或转数（请参见图4）。其次，对于无刷电机系统， MAQ430传感器可以模拟传统的3霍尔传感器UVW换向信号，以通知电机驱动器何时为各相绕组通电。通过添加 MAQ430传感器，可以实现全无刷伺服电机。汽车中的此类电机有时也称为紧凑型无刷电机控制器（CBA）。

Figure 3a: Motorized and Automated Controls Figure 3b: Motorized and Automated Controls 图3：电动和自动化控制

图3：电动和自动化控制

图4：MAQ430磁性角度传感器功能框图

在这类电机控制器设计中，尺寸通常很关键，它可以最小化车辆重量并满足严格的机械结构限制。 MAQ470或MAQ430采用小尺寸QFN（3mmx3mm）封装，在同轴拓扑中，典型的盘式磁体尺寸仅为3mm（直径） x 2mm（高度），这使得解决方案紧凑且具经济效益。

这些传感器还可以在多种磁体和传感器位置拓扑结构下运行。除了常见的同轴磁体位置以外， MAQ470和MAQ430还支持两种类型的侧轴配置（请参见图5）。

图5：MAQ430 / MAQ 470磁性角度传感器磁感应拓扑

图5：MAQ430 / MAQ 470磁性角度传感器磁感应拓扑

侧轴配置增加了可选的机械选件，并使设计更加紧凑。对于需要冗余以确保安全的系统，侧轴模式还允许将两个传感器围绕磁体轴线相对于彼此布置在90°或180°的位置。

对于不需要绝对位置的应用，可以采用多极环形磁体来提高传感器的有效分辨率。传感器检测磁环上每个磁极对的360°磁旋转。例如，在电机换向应用中，磁环上的极数可以与转子的极数匹配。传感器可以存储可调偏移量，这样，在电机生产期间，传感器磁极可以与转子磁极对齐。

MAQ470和 MAQ430磁性角度传感器均符合AECQ 等级1标准，并支持-40至+ 125°C的工作温度，可以满足上述典型的汽车座舱和车身系统要求。这些器件采用16引脚QFN 3mmx3mm塑料封装，侧面镀锡以辅助生产焊点检查。
MagAlpha MAQ470和 MAQ430传感器提供了高度可靠且无接触的方法来测量汽车系统中的角度、位置和速度。其尺寸紧凑、角度输出格式多样、磁体位置拓扑灵活，可以轻松实现经济高效的角度传感器和电机控制器。

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