差動磁気電流および位置検出
はじめに
磁気センシングは、位置および電流センシングアプリケーションの性能を向上しながら、サイズとコストを削減するため、現代の技術に不可欠です。位置検出のために、磁気センサはシステムのサイズ、複雑さ、およびメンテナンスを低減する非接触ソリューションを提供し、自動車、ロボット工学、および産業オートメーションなどの産業に理想的です。電流検出のために、磁気センサは、特に太陽光、可変速ドライブ、電気自動車の充電とモータ制御を含む高出力産業において、固有のガルバニック絶縁による安全で正確な測定を保証します。
産業界ではより小型で高精度な耐干渉性のあるセンサが求められているため、浮遊磁場が避けられない環境では、差動センシングトポロジーが精度を向上させるために重要です。位置検出用のMA900やMAQ79010FSなどのMPSの製品は、重要なアプリケーションで精度と信頼性を向上させるために差動検出を利用しています。
磁気センシングにおける精度の重要性
自動車、ロボット工学、航空宇宙、ヘルスケアなどの産業では、センシングソリューションの精度がますます求められています。正確な測定は、安全性と効率性のために不可欠であり、特に電気自動車 (EV) のようなアプリケーションでは、バッテリーマネジメントやモータ駆動に正確な電流検出が不可欠です。わずかな不正確さが非効率性やシステム障害につながる可能性があります。システムの複雑化に伴い、精度要件は厳しくなっており、特定のアプリケーションでは角度検出での準精度、電流検出での1%から2%の精度が求められます。
感度の向上によりセンサはノイズに対して脆弱になるため、これらの基準を満たすことは困難です。これらの課題には、差動センシング、ノイズキャンセリング、シールドの改善などの技術が必要です。温度の安定性も重要であり、特に車載環境ではセンサの読み取り値が温度変化とともに変動する可能性があります。また、センサの小型化によるシステム集積化に伴い、センサが干渉を受けずに精度を維持することが困難になっています。高性能とコスト制約のバランスをとることは、特に家電製品において重要な課題です。
磁気センシングにおける干渉源
磁気センサは自然界や人工の外部磁場から干渉を受けやすい傾向があります。このノイズは地球の磁場からも発生する可能性があり、高精度アプリケーションでは読み取り値を歪める可能性があります。さらに、モータのステータからの漏れ磁束は、シールドまたは差動センシングを必要とする近くのセンサと干渉する可能性があります。強磁性体がセンサの近くにあると、磁場をさらに歪めて測定が不正確になる可能性があります。
他の干渉源としては、特に大電流システムにおいて、インダクタやトランスのような電流を運ぶ部品によって生成される磁場があります。多相の電動機では、隣接する位相がターゲットになる磁石が互いに干渉し、ノイズを発生させ、位置検出を複雑にすることがあります。
差動センシングトポロジー
差動センシングはコモンモード干渉を排除することで磁気センサの精度を向上させ、外部磁場やノイズが大きい環境でこのトポロジーを有効にします。この設計では平面ホールセルやTMR素子などの2つ以上のセンシング素子を使用して異なる点で磁場を測定し、ターゲット信号のみに焦点を当てながら外部ソース (モータや漂遊磁界など) からの干渉を打ち消します。
差動センシングのいくつかの利点には次が含まれます。
- ノイズリダクションにより、両方のセンサに影響を与える外部場が均等に打ち消されます。
- 信号忠実度の向上は、正確な測定のためにターゲット磁気信号に焦点を当てています。
- 干渉を低減することで精度が向上し、自動車および産業アプリケーションで正確な読み取り値を提供します。
差動センシングの実装
電流検出のために、電流を運ぶ導体の両側に配置された2つのホール効果センサは、外部ノイズを打ち消しながら磁場を検出します。これにより、特にノイズの多い環境 (EVバッテリーシステムやモータ制御など) で正確な電流測定が保証され、効率と安全性が向上します。
位置検出においては、干渉をフィルタリングするために異なる点の磁場を比較する差動トポロジーも使用されます。しかし、軸外磁石は侵略場と見なされるため、ターゲット磁石と軸上の位置合わせが必要です。
上記の方法に加えて、複数のホールセルを単一チップに集積して導体周辺の磁界を対称的に測定することができ、精度を向上させ、高いEMIの環境でも効果的に機能させることができます。ホールセルは、高い精度と信頼性が要求されるアプリケーションに最適です。
差動センシングを使用したアプリケーション
ノイズの多い環境での正確な位置検出には、差動センシングトポロジーが不可欠です。例えば、自動車のスロットル制御では、差動トポロジーを使用した磁気ポジションセンサがエンジン部品や外部磁気源からの干渉を排除し、正確なスロットルの読み取り値を保証します。電動パワーステアリングシステムでは、差動センサはステアリングコラム上の磁石の位置を検出してステアリングの角度を正確にフィードバックし、外部ノイズの影響を受けません。ロボティクスは、強い電磁障害がある環境でも関節や可動部品の位置を正確に検出する差動位置センサの恩恵も受けています。MA900やMAQ79010などのMPSのセンサは、この技術を使用して、自動車や産業用途で正確で信頼性の高い位置検出を提供します。図1にMA900の代表的なアプリケーションを示します。
図1: MA900の代表的なアプリケーション
大電流、高ノイズの環境では、差動電流検出が重要です。電気自動車や再生可能エネルギーシステムのバッテリーマネジメントシステム (BMS) では、差動センサがバッテリー電流をモニタして効率的なエネルギー管理を行います。モータ制御システムでは、モータからノイズが発生しても正確な電流測定を行うことで、安全かつ効率的な動作を保証します。同様に、大型機械が重大な電磁障害 (EMI) を発生する産業用オートメーションでは、MPSの電流センサは困難な状況にもかかわらず正確な電流測定を提供します。
位置検出のトレードオフと制限
差動位置検出では、正確な読み取り値を得るためにターゲットの磁石との軸上の正確な位置合わせが必要です。軸外に配置すると、磁場が干渉として誤って解釈され、複雑な運動や可変運動を持つシステムの柔軟性が制限されます。この制約は慎重な取り付けが必要ですが、自動車のステアリングやスロットル制御などのアプリケーションでは高精度を提供します。
不均一な磁場 (傾斜磁場) は、センサが異なる磁場強度を検出する可能性があるため、差動センシングの精度を低下させる可能性があります。この問題を緩和するには、傾斜磁場が最小限の領域、またはシステム較正が行われている領域、特に複数の磁石や不均一な光源がある環境では、センサを慎重に配置する必要があります。
電流検出のトレードオフと制限
差動電流センシングは、位置センシングと同じトレードオフに直面することはなく、ICのより慎重な事前設計が必要なだけです。特別なアライメントを必要とせず、電流を運ぶ導体の周囲の磁場を正確に検出し、さまざまなアプリケーションにわたって汎用性と一貫した性能を提供します。
主な要因としては、センサが期待される電流幅に適合することの確保、ドリフトを防ぐための熱安定性の管理、モータ・ドライブなどの動的アプリケーションに適切な帯域幅と応答時間を確保することが挙げられます。
ケーススタディと例
車載アプリケーション
磁気センシングは、EVや先進運転支援システム (ADAS) のイノベーションの鍵になります。差動センサは、さまざまなアプリケーションで精度と信頼性を向上します。
- 電動パワーステアリング (EPS) では、MA900などのセンサがステアリング角度を細かい精度で測定し、スムーズな制御を保証します。
- バッテリー管理システム (BMS) は、 電流センサがノイズの多い環境でも高精度に充電と放電をモニタします。
- トラクションモータ制御のために、差動電流センサは、EVのモータ効率と安全性を最適化するためのリアルタイム電流測定を提供します。
車載アプリケーションの差動センサは、制御とバッテリー寿命の向上、ノイズの多い環境での信頼性の高い動作、低電力モードでの効率的な性能を提供し、EVの航続距離を延長します。
消費者 (低電力) アプリケーション
民生用電子機器では小型、低消費電力化の要求が高まっており、差動センサはその要求に応える優れたソリューションです。
- ゲーミングコントローラやジョイスティックの場合、可動部品なしで正確で信頼性の高いフィードバックを提供します。
- スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのウェアラブル機器では、センサは超小型、低消費電力、正確なダイヤルの動き検出を可能にします。
- ホームオートメーションでは、センサはスマートロックやセキュリティカメラにおいて低電力で正確な位置検出のために使用されています。
低消費電力の民生用アプリケーションにおける差動センサは、機器のバッテリー寿命を延ばす電力効率の高いセンサ、スペースが限られた機器での小型設計を可能にするコンパクトなフォームファクタ、可動部品がないことによる長寿命を提供します。
医療アプリケーション
差動センサは、困難な医療環境でも精度と信頼性を確保します。
- MRI装置で、センサは高磁場でも正確な電流検出を提供。
- 義肢とウェアラブル、動きとリハビリテーションの高精度制御とモニタリング。
- 外科用ロボット工学では、センサは近接した複数の軸を持つサブミリメートルの位置決め機能を提供。
エマージングテクノロジー
磁気センシングは、自動車、ヘルスケア、家電などの産業における精度、効率、適応性に対する高まる要求に応えるために急速に進化しています。いくつかの重要な進歩は以下のとおりです。
- 自動運転に欠かせない小さな磁場変化を高精度で検出するための新しいセンサの開発が進められています。
- 複数の軸 (X、Y、Z) にわたる磁界を検出できる多軸センシングセンサは、ロボット工学や拡張現実 (AR) における3Dポジショニングなど、より複雑なアプリケーションを可能にしています。
- トンネル磁気抵抗 (TMR) のような新しい磁気センサ技術は、高感度と低固有ノイズにより、制度を新しい限界へと導きます。
産業の動向
精密な磁気センシングの要求は、アプリケーションの複雑さの直接の産物です。自動運転車やADASが、車線維持や衝突回避のために正確な磁気センサに依存している自動車業界について考えてみましょう。医療分野では、MRI装置やロボット手術システムは安全性や治療効果のために高い精度が要求されます。産業オートメーションでは、効率を向上させ、誤差を減らすために、ロボットアームやコンベアシステムの精密なセンシングも要求されます。
さらなる磁気センシングの革新は、小型化とコスト削減によって推進されています。小型のセンサにより、精度を犠牲にすることなく、コンパクトなシステム (ウェアラブルやドローンなど) に搭載できます。さらに、医療用ウェアラブルや産業用IoTシステムなどのデバイスのバッテリー寿命を延ばすために、エネルギー効率の高いセンサが不可欠になり、低消費電力設計のイノベーションをさらに推進します。
結論
磁気センシング技術は、外部磁場からの干渉が精度や性能に影響を与える自動車、産業オートメーション、医療機器などの産業で不可欠です。差動センシングトポロジーはMA900やMAQ79010FSなどのMPSの磁気角度センサおよび電流センサに実装されています。これらのICはコモンモードノイズを打ち消し、信頼性の高い高精度動作を保証します。
今後、ノイズ低減、小型化、材料科学の進歩により、磁気センシングがさらに強化されるでしょう。これらの技術革新は、高精度、低消費電力、小型センサへの要求の高まりに対応し、電気自動車から医療用ウェアラブルまでのアプリケーションにおいて、磁気センサがますます重要になっています。
MPSの電流センサと磁気角度センサを調べて、 設計に必要なソリューションを見つけましょう。
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