基于MLX90316的汽車油門踏板的設(shè)計與研究

陳科球，劉彭義

(暨南大學(xué) 物理系 思源實驗室，廣東 廣州 510632)

油門控制器是汽車的重要配件之一，它主要由油門踏板、踏板位移傳感器、油門電控單元（ECU）、數(shù)據(jù)總線和執(zhí)行器組成[1]。目前使用的大部分都是電子油門，它通過檢測油門踏板踩下的角度，產(chǎn)生兩組電壓信號傳送給ECU,ECU對該信息和其他系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息進行運算處理，計算出一個控制信號，通過線路送到伺服電動機繼電器，伺服電動機驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行機構(gòu)，從而控制車輛的行駛速度?，F(xiàn)行的汽車油門踏板所使用的傳感器均采用碳膜接觸式結(jié)構(gòu)，通過觸點在碳膜上滑動來改變阻值，時間久了存在磨損、接觸不良、不回位等安全隱患。而采用MLX90316設(shè)計的汽車油門腳踏板除了具有靈敏度高、體積小的優(yōu)點外，更因其非接觸式測量的特點而具有無磨損、壽命長、抗惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景。

1 MLX90316芯片介紹

Melexis公司的MLX90316芯片是一款線性霍爾傳感器[2]，可輸出與芯片表面平行磁場的角度位置信息。該傳感器采用三軸霍爾技術(shù)，在芯片上方放置一個圓盤形磁集中器（IMC），將平行作用于芯片表面的磁場集中起來，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場的垂直分量，通過兩對位于IMC下方的相互垂直的平面霍爾元件檢測平行于芯片表面的磁通密度[3]。兩對霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X和Y方向)。這樣兩對霍爾元件輸出的正比于磁場強度的信號(VX和VY)可以將實際角度編碼為兩個相位差為90°的正弦信號（cos和 sin信號），VX和 VY經(jīng)多路復(fù)用器選通放大，再由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。芯片內(nèi)置的 16位 DSP對這兩路信號進行采樣和處理，最后的輸出信號可以在0～5 V模擬方式、PWM模式以及串口通信方式（SPI）中選擇，輸出曲線是完全可以編程的（例如，偏移值、增益、鉗位電平等參數(shù)都可編程）。其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 MLX90316汽車油門踏板檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 霍爾芯片的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 MLX90316霍爾傳感器檢測原理

采用MLX90316角度傳感器設(shè)計汽車油門踏板檢測系統(tǒng)。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉(zhuǎn)軸內(nèi)，替代現(xiàn)在的碳膜結(jié)構(gòu)，硬件工作原理及實物如圖2所示。在芯片上方放置的圓盤形永磁鐵與油門腳踏板連接，當踩下踏板時，驅(qū)動圓盤形磁鐵轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生變化的磁場，被MLX90316表面的IMC收集，并在其邊緣產(chǎn)生正比于磁場的垂直分量，由霍爾傳感器檢測。為方便實驗，采用步進電機驅(qū)動圓盤形永磁鐵，替代油門腳踏板，以模擬硬件汽車油門腳踏驅(qū)動，汽車油門腳踏板檢測系統(tǒng)與控制電路的框圖如圖3所示，軟件功能流程如圖4所示。為了驗證其可行性，使用精密角度傳感器測試儀[4]，利用計算機并口來控制步進電機（步距為0.36°）帶動傳感器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，即永磁鐵在水平方向上的方位角每步改變0.36°，加在霍爾芯片上的外磁場發(fā)生變化，通過霍爾效應(yīng)使傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。傳感器的輸出信號送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS774JP[5]，ADS774JP在并口的控制下對傳感器的輸出電壓進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過并口讀入PC。

圖4 軟件功能流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

由于汽車油門腳踏采用的是雙路輸出模式，因此所制作的傳感器使用的是MLX90316雙芯片版，集成2個傳感芯片。其測試界面如圖5所示，第一路輸出中低電平為0.295 V、高電平為1.850 V，第二路輸出中低電平為 0.102 V、高電平為0.879 V。為了驗證傳感器，分別對其步進電機不同驅(qū)動轉(zhuǎn)速下的獨立線性度、重復(fù)性、一致性等做了測量。

3.1 傳感器的獨立線性度

線性度是傳感器靜態(tài)特性的一項重要指標[6]，它定義為傳感器實際平均輸出特性曲線對參考直線的最大偏差除以傳感器滿量程的百分比。根據(jù)所選定參考直線的不同，可獲得不同的線性度。以最佳直線作為參考直線的線性度稱為獨立線性度。獨立線性度是衡量傳感器線性特性的最客觀標準。首先模擬輕踩汽車油門腳踏板，以步進電機驅(qū)動圓盤形磁鐵，以50 r/s的轉(zhuǎn)速慢速轉(zhuǎn)動，測得的MLX90316芯片輸出電壓V與轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系如圖6所示的實線。然后用最小二乘法擬合得到最佳直線，如圖6中的虛線。由傳感器線性度的定義L=計算出該轉(zhuǎn)速下MLX90316傳感器的線性度為1.025%，該值較小，說明傳感器在此轉(zhuǎn)速下有良好的獨立線性度。

圖5 雙路輸出圖形

圖6 MLX90316芯片輸出電壓與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系

3.2 獨立線性度與電機頻率測試

為全面考察MLX90316傳感器在工作時的獨立線性度，模擬在較重和重踩踏板情況下，分別以100 r/s、150 r/s、200 r/s、250 r/s、300 r/s、400 r/s、500 r/s、600 r/s、700 r/s、800 r/s的轉(zhuǎn)速驅(qū)動圓盤形磁鐵，得到各自的獨立線性度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可見，在各轉(zhuǎn)速情況下，獨立線性度均小于1.5%，優(yōu)于現(xiàn)行汽車油門腳踏板檢測系統(tǒng)。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉(zhuǎn)軸內(nèi)，替代現(xiàn)行碳膜電阻油門腳踏板的獨立線性度，達到了應(yīng)用要求。圖中隨著轉(zhuǎn)速增加，獨立線性度有增大的趨勢，這是因為ADS774JP的數(shù)據(jù)采集與頻率相關(guān)，速度太快時可能采集到的數(shù)據(jù)有遺漏，但不同角度傳感器在測量時對測試轉(zhuǎn)速的改變所引起的獨立線性度變化趨勢基本是一致的。由圖7看出，轉(zhuǎn)速在50 r/s～300 r/s的情況下較佳，獨立線性度小于1.03%，能滿足實際應(yīng)用需要。

圖7 測量獨立線性度在不同轉(zhuǎn)速下的變化圖

3.3 重復(fù)性測試

重復(fù)性是傳感器的另一個重要靜態(tài)特性，通過對同一角度傳感器的重復(fù)測量來檢測本測試系統(tǒng)的重復(fù)性。轉(zhuǎn)角范圍為 50°，兩路電壓分別為0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度傳感器重復(fù)測試12次，每次測量步進電機旋轉(zhuǎn)兩周(即 720°)，轉(zhuǎn)速為 150 r/s。 其結(jié)果如圖8所示，結(jié)果顯示重復(fù)性能比較好，其獨立線性度最大相差0.02%。

圖8 雙路重復(fù)測量的獨立線性度

3.4 一致性測試

傳感器的一致性也稱為互換性，通過對同批次角度傳感器的測量可以看出本測試系統(tǒng)的一致性。轉(zhuǎn)角范圍為 50°，兩路電壓分別為 0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度傳感器4個，分別測量12次，測量時步進電機旋轉(zhuǎn)兩周(即 720°)，轉(zhuǎn)速為 150 r/s。 其測量結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示此非接觸式角度傳感器的一致性比較好，其獨立線性度保持在1%左右，4個電位器的參數(shù)基本保持一致。

圖9 不同傳感器的獨立線性度測測試

由于市面上的汽車油門腳踏板都是基于碳膜滑動電阻器式設(shè)計的，存在磨損大、接觸不良等缺點，本文設(shè)計了基于MLX90316非接觸式雙路輸出汽車油門腳踏板，并研制了相應(yīng)的測試系統(tǒng)。從檢測結(jié)果來看，獨立線性度、重復(fù)性和一致性都很好，可以替代碳膜滑動變阻器結(jié)構(gòu)，具有很大的應(yīng)用前景。

[1]李國鋒，王云.基于單片機的汽車電子油門控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(4)：137-140.

[2]余貴堂.基于MLX90316的BLDCM控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[3]HILIGSMANN V，RIENDEAU P.Monolithic 360 degrees rotary position sensor IC automotive applications[J].Proceedings of IEEE Sensors，2004，3(10)：1137-1142.

[4]徐文濤，黃釗洪.基于計算機并口的磁敏無接觸式角度傳感器測試系統(tǒng)[J].傳感器世界，2008(4)：49-52.

[5]周征.12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS774JP及其在高精度檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2003(4)：35-37.

[6]何培杰，陳翠英，王多輝.傳感器獨立線性度的研究[J].傳感器技術(shù)，1999，18（6)：26-27.