對某車用霍爾式傳感器的優(yōu)化設(shè)計

劉 平

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092）

對某車用霍爾式傳感器的優(yōu)化設(shè)計

劉 平

Liu Ping

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092）

目前各種電子元器件在汽車上的應(yīng)用越來越多，其電磁兼容性對整車可靠性有著重大影響。六西格瑪設(shè)計（Design For Six Sigma，DFSS）可以快速鎖定優(yōu)化目標(biāo)，減少試驗次數(shù)。將DFSS思想運用到提高汽車用霍爾傳感器的電磁兼容性設(shè)計之中，快速可靠地提高傳感器抗電磁干擾能力。改進后的傳感器通過了電磁兼容性試驗及整車試驗，達到了預(yù)期的目的。

六西格瑪DFSS；傳感器；電磁兼容性

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，應(yīng)用在汽車上的傳感器數(shù)目和種類越來越多，高質(zhì)量、低成本的汽車電子產(chǎn)品逐漸成為汽車市場競爭的主要手段[1]?；诨魻栐淼膫鞲衅髟诂F(xiàn)代汽車上得到普遍的應(yīng)用，但是與此同時，由于車輛電子系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，導(dǎo)致車輛電磁環(huán)境也日益復(fù)雜[2]。在這種情況下，提高汽車電子元器件的電磁兼容性對于提高車輛的可靠性有著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市面上某款轎車所用的霍爾傳感器當(dāng)其所處的電磁環(huán)境十分惡劣時，極端情況下可能導(dǎo)致傳感器發(fā)生鎖死失效現(xiàn)象，從而導(dǎo)致車輛發(fā)生故障，如圖1所示。信號1在受到干擾時，信號被拉高至某一異常水平并無法自我恢復(fù)，我們稱之為傳感器發(fā)生鎖死現(xiàn)象。同樣情況下對于信號2來說，雖然其幅值也發(fā)生異常，但是可以很快自行恢復(fù)到正常水平。信號3抗干擾能力最強，僅僅出現(xiàn)了瞬時的震蕩。為了快速解決這一問題，要求必須在保證接口信息不變的情況下，提高傳感器的抗電磁干擾能力，以最大限度降低損失。

為了達到這一目的，將DFSS的思想運用到該傳感器的優(yōu)化設(shè)計中來，運用DFSS方法論的系統(tǒng)化工作流程和相應(yīng)工具，重新評估傳感器設(shè)計方案，最終通過重新設(shè)計傳感器接口電路，提高該傳感器的電磁兼容性能，從而提高整車工作的可靠性和穩(wěn)定性。DFSS作為一種高效的設(shè)計理念和方法，早已被全球各大汽車廠商和零部件供應(yīng)商所廣泛使用[3]。

1 DFSS介紹

1.1 DFSS的中心思想

DFSS的思想是在滿足客戶需求的前提下，提升系統(tǒng)的穩(wěn)健性。從客戶需求的角度出發(fā)，設(shè)定合理的目標(biāo)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品成本。

1.2 DFSS的實施流程

按照DFSS的思想，對于一個完整的設(shè)計流程，分為如下5個步驟。

1）識別機會（Identify）。為確保任務(wù)成功完成而開發(fā)計劃。

2）定義要求（Define）。建立一套使客戶滿意的合理的功能指標(biāo)。

3）開發(fā)概念（Development）。建立最好的設(shè)計方案，滿足定義要求階段所確定的功能，同時滿足其他的業(yè)務(wù)指標(biāo)。

4）優(yōu)化參數(shù)（Optimize）。確定設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)，確保在各種操作條件下有一致的可能。

5）確認(rèn)驗證（Verify）。確認(rèn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是否達到了客戶需求。通過試驗等手段去驗證設(shè)計之初的定義要求及其穩(wěn)健性和可靠性。

在實際使用過程中，可以根據(jù)實際情況，靈活運用其中部分階段對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。文中充分運用DFSS的思想，對霍爾傳感器電磁兼容性的提高進行了全流程的分析。

2 霍爾傳感器優(yōu)化設(shè)計過程

2.1 識別機會

基于目前市場反饋的故障信息，以及我們通過售后市場跟蹤采集的數(shù)據(jù)分析來看，該傳感器受到電磁干擾時，在極端情況下會出現(xiàn)傳感器鎖死故障，從而導(dǎo)致該傳感器信號不能真實反映被測量的變化過程，進而導(dǎo)致整車功能異常。這里旨在通過提高傳感器電磁兼容性來提高整車的可靠性。

2.2 定義要求

從客戶的角度出發(fā)，準(zhǔn)確理解客戶的需求。通?？蛻艨梢苑譃?類，一是外部客戶，即汽車的使用者、終端客戶，要求車輛行駛平順、可靠，動力充沛；二是內(nèi)部客戶，也就是企業(yè)的質(zhì)量部、試驗認(rèn)證部等，要求該產(chǎn)品設(shè)計能通過對應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，降低故障率；三是政府制度和法規(guī)，要求必須通過電子產(chǎn)品抗電磁干擾方面的國家標(biāo)準(zhǔn)。通過試驗，發(fā)現(xiàn)該傳感器無法通過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電器/電子零件與子系統(tǒng)級電磁兼容性能的通用技術(shù)規(guī)范》中85 V直接電容耦合的傳導(dǎo)抗擾這一項。根據(jù)DFSS的思想，該類質(zhì)量屬于理所應(yīng)當(dāng)質(zhì)量。因此，我們不僅要求保證傳感器各項指標(biāo)均能通過對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，更要求在各種設(shè)計方案中尋找最為穩(wěn)健的設(shè)計。同時，在確保傳感器提高電磁兼容性的同時，不能降低傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性、重復(fù)精度等其他關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3 開發(fā)概念

根據(jù)工作原理分類，目前車輛上所用的傳感器主要有如下幾種：

1）可變電阻式傳感器；

2）電容式傳感器；

3）電感式傳感器；

4）霍爾式傳感器。

根據(jù)該項目的特點及整車要求，著重從開發(fā)周期、兼容匹配性、成本、耐老化特性、工作溫度范圍、耐振動特性、電磁兼容性、動態(tài)響應(yīng)特性、測量精度和壽命10個方面進行普氏概念選擇。以最為常見的可變電阻式傳感器作為基準(zhǔn)進行分析，得到如表1所示的結(jié)論。

表1 第一輪普氏選擇結(jié)果

根據(jù)第一輪的普氏選擇，看起來電感式傳感器具有較大的優(yōu)勢。為了避免發(fā)生弱參照現(xiàn)象，必須對這一結(jié)論加以驗證。以這一輪勝出的電感式傳感器為基準(zhǔn)進行第二輪的普氏選擇。經(jīng)過若干輪選擇對比后，最終得到如表2所示結(jié)果。

表2 若干輪后普氏選擇結(jié)果

因為該車型原來設(shè)計所用傳感器即根據(jù)霍爾原理設(shè)計開發(fā)而成，同時霍爾式傳感器在汽車領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，工藝成熟，供應(yīng)商眾多。綜合各輪比較的結(jié)果，最終方案確定為依然采用基于霍爾原理的傳感器。根據(jù)DFSS思想，希望可以綜合各個方案的優(yōu)點，取長補短。因此，下一步目標(biāo)是改進其弱項 ，即電磁兼容性。針對普氏分析結(jié)果，經(jīng)過改進后的霍爾式傳感器具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。如表3所示，設(shè)計方案最終確認(rèn)為霍爾式傳感器。

表3 最終普氏選擇結(jié)果

2.4 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

確定了采用霍爾式傳感器這一設(shè)計方案后，需要對該傳感器的接口電路進行設(shè)計優(yōu)化，以提高其電磁兼容性。該傳感器的接口電路如圖2所示。

在原始設(shè)計中，濾波電容CL和濾波電阻Rs都沒有。希望通過優(yōu)化濾波電容C1、C2、CL和電阻Rs的數(shù)值來得到一個最佳的接口電路設(shè)計。因此，我們得到該系統(tǒng)的參數(shù)圖，如圖3所示。

該系統(tǒng)一共具有4個控制因子，分別為3個濾波電容和1個濾波電阻，每個因子選擇3個控制水平，噪聲因子選擇2個，分別為溫度和老化程度，這樣得到該系統(tǒng)的控制因子和噪聲因子如表4和表5所示。

表4 控制因子選擇

表5 噪聲因子選擇

對應(yīng)某一種確定的設(shè)計方案，在試驗過程中逐漸提高干擾電壓的數(shù)值，直到找出導(dǎo)致傳感器發(fā)生鎖死現(xiàn)象的臨界電壓值作為該系統(tǒng)的響應(yīng)。該系統(tǒng)作為一個靜態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)其響應(yīng)的定義，輸出響應(yīng)具有望大特性，期望改進后的傳感器能承受的干擾電壓幅值越大越好。

為減少試驗次數(shù)，快速選擇最佳的設(shè)計參數(shù)組合，這里依據(jù)正交試驗的方法，選擇L9正交試驗列表，記錄9種控制因子組合情況下的測試結(jié)果。如表6所示。

依據(jù)測試結(jié)果計算出平均能承受的干擾電壓幅值和信噪比，如圖4、圖5所示。

表6 正交試驗結(jié)果

綜合抗干擾電壓的平均值和信噪比的分析結(jié)果，確定4個控制因子分別為1、2、2、2的組合方案。雖然CL濾波電容和Rs濾波電阻選擇第3個控制水平能少許提高抗干擾電壓平均值和信噪比，但是會影響傳感器的動態(tài)響應(yīng)等其他特性，并且在抗干擾方面，能力提升非常有限。

另外，從試驗結(jié)果來看，該設(shè)計方案的傳感器已經(jīng)可以抵抗高達125 V階躍電壓干擾，遠高于《電器/電子零件與子系統(tǒng)級電磁兼容性能的通用技術(shù)規(guī)范》中85 V的標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過計算，通過優(yōu)化設(shè)計，該傳感器的穩(wěn)健性提高了1-0.5^（（41.9-29.3）/6）=0.767，即提高了76.7%。

2.5 確認(rèn)驗證

改進后的傳感器分別通過了對應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，同時通過售后車輛、試驗車輛的實際測試驗證，尚未發(fā)現(xiàn)有因為傳感器受到干擾而發(fā)生故障的案例。

3 結(jié)束語

通過對傳感器接口電路做少許改進設(shè)計，極大地提高了傳感器抗高幅值脈沖直流電壓干擾能力。新的設(shè)計并沒有更改原有芯片，只是增加了一個濾波電容和一個濾波電阻。同時，物理接口、電氣信號都與原有設(shè)計完全兼容匹配。整車驗證結(jié)果表明該設(shè)計達到了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。

運用DFSS方法論的系統(tǒng)化設(shè)計方法及其工具，快速地完成了提高傳感器電磁兼容性的優(yōu)化設(shè)計方案，并且在實際產(chǎn)品使用中得到了驗證。DFSS方法在提高產(chǎn)品穩(wěn)健性和產(chǎn)品質(zhì)量、減少開發(fā)時間和成本、提高產(chǎn)品開發(fā)效率等多方面具有很大的優(yōu)勢，值得在汽車設(shè)計行業(yè)內(nèi)推廣使用。

[1] 朱正禮，杜建福，蘭志波. DFSS在新能源汽車電子產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計與制造，2012（2）：285-260.

[2] 金松濤，丁良旭，劉青松．汽車電磁兼容問題研究的重要性[J]. 客車技術(shù)與研究，2011（4）：5-9.

[3] 郭峰. 6Sigma設(shè)計在汽車設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 汽車工程，2006（10）：19-24.

U463.6.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.002

2014-05-30

1002-4581（2014）05-0004-04