電子油門踏板的磁場(chǎng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究

徐 源，郭 斌，袁月峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310038)

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電子油門踏板的磁場(chǎng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究

徐 源，郭 斌，袁月峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310038)

對(duì)于汽車電子油門踏板利用可編程霍爾傳感器將踏板的位置變化轉(zhuǎn)換為線性模擬電壓輸出，具有產(chǎn)品一致性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)正越來(lái)越獲得廣泛應(yīng)用；針對(duì)踏板磁鋼片位置布局不良容易導(dǎo)致的傳感器校準(zhǔn)異常和輸出非線性等問(wèn)題，進(jìn)行了踏板旋轉(zhuǎn)件永磁磁路分析，并用ANSYS軟件進(jìn)行了磁場(chǎng)有限元建模仿真，分析了踏板旋轉(zhuǎn)角度和傳感器位置安裝之間的影響因素，并在電子油門性能檢測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙路輸出式電子油門踏板的輸出線性度達(dá)到1.45%,同步度指標(biāo)為0.12%,符合產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

電子油門踏板；磁場(chǎng)；仿真；霍爾傳感器

0 引言

電子油門踏板分為接觸式和非接觸式，接觸式電子油門踏板存在易磨損和壽命短的缺點(diǎn)而逐漸被淘汰，現(xiàn)在普遍采用基于霍爾原理的非接觸式電子油門踏板。Micronas公司生產(chǎn)的霍爾芯片不僅能實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)的功能，還具有一致性好、壽命長(zhǎng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的使用[1]。

在對(duì)霍爾式雙路電子油門踏板的校準(zhǔn)和性能檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，電子油門踏板會(huì)出現(xiàn)校準(zhǔn)異?；蛐?zhǔn)后出現(xiàn)輸出信號(hào)非線性的問(wèn)題。為了進(jìn)一步分析其原因，對(duì)電子油門踏板的工作原理深入的研究。

在研究中發(fā)現(xiàn)，電子油門踏板工作方式是，踏板臂帶動(dòng)永磁鐵圍繞傳感器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著踏板臂的旋轉(zhuǎn)角度的大小而改變，最后霍爾芯片利用霍爾效應(yīng)輸出與其受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)[2]。因此，對(duì)霍爾式電子油門踏板工作原理的研究重點(diǎn)在于傳感器受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度與永磁鐵旋轉(zhuǎn)角度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

目前，對(duì)于霍爾傳感器工作的磁場(chǎng)研究普遍采用經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)的方式，這種方法使得其研究更繁瑣，得到的精度會(huì)比較低。對(duì)于不同尺寸和性質(zhì)的磁鐵，求出其解析式會(huì)更加困難。ANSYS是基于數(shù)值計(jì)算的一種大型通用有限元軟件，可以方便地對(duì)磁鐵進(jìn)行建模和分析，并可以形象地畫出磁力線分布以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的云圖，較為準(zhǔn)確地給出各點(diǎn)數(shù)值[3-5]。本文是基于ANSYS軟件建立永磁體模型，用來(lái)模擬霍爾傳感器的工作環(huán)境，通過(guò)在靜態(tài)的磁場(chǎng)中采樣霍爾傳感器的不同旋轉(zhuǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)分析轉(zhuǎn)換為靜態(tài)的磁場(chǎng)分析。最后使用WT10A數(shù)字特斯拉計(jì)和電子油門踏板性能測(cè)試臺(tái)來(lái)驗(yàn)證仿真分析的正確性。

1 電子油門踏板的工作原理

電子油門踏板安裝霍爾芯片的個(gè)數(shù)可分為雙路式和單路式，與單路式相比，雙路式油門踏板的傳感器采用冗余設(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)原理是采用兩個(gè)相同傳感器以對(duì)稱互補(bǔ)的方式安裝在電子油門踏板中，能有效提高產(chǎn)品的可靠性。

對(duì)于霍爾式雙路電子油門踏板，其磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)是踏板臂和霍爾傳感器的重要連接樞紐，它可以將踏板臂的旋轉(zhuǎn)角度巧妙地轉(zhuǎn)化為霍爾傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量。其磁場(chǎng)單元主要由兩塊永磁鐵和屏蔽環(huán)構(gòu)成，永磁體能提供均勻的磁場(chǎng)環(huán)境，屏蔽環(huán)使得外界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度絕大部分從外殼壁通過(guò)，從而達(dá)到屏蔽的作用[6]。

電子油門踏板的工作原理在于，永磁鐵在踏板臂的帶動(dòng)下圍繞傳感器旋轉(zhuǎn)，作用于霍爾傳感器的磁場(chǎng)分量隨旋轉(zhuǎn)的角度而改變，傳感器利用霍爾效應(yīng)將受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，最終將其傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器根據(jù)電壓信號(hào)大小，計(jì)算出駕駛員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求并將其轉(zhuǎn)化為所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩[7]。

對(duì)于霍爾式電子油門踏板的輸出電壓值是靠傳感器敏感區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小體現(xiàn)的，在相同的磁場(chǎng)下，受到的N極磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，則電壓的輸出值也越大，反之受到S極磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，則輸出電壓越小。所以在電子油門踏板的設(shè)計(jì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)角度的變化量線性度越高，則電子油門踏板的線性度越好。

該磁場(chǎng)單元的兩片方形永磁鐵是采用樞軸對(duì)稱的方式固定在屏蔽環(huán)內(nèi)，永磁鐵的磁場(chǎng)方向一致，傳感器則是引腳朝外，安裝在兩片磁鐵之間。在工程應(yīng)用中，由于霍爾傳感器模塊面積太大，不便做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用磁場(chǎng)單元圍繞傳感器旋轉(zhuǎn)的方式工作。運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，為了便于分析，假定永磁鐵的位置固定，讓傳感器繞著樞軸在磁場(chǎng)單元中旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1 霍爾傳感器與均勻磁場(chǎng)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)

由于霍爾傳感器的敏感區(qū)域的移動(dòng)軌跡與磁場(chǎng)的磁力線垂直，因此可以通過(guò)二維磁場(chǎng)來(lái)仿真霍爾傳感器所受磁場(chǎng)的影響。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，除了要采用WT10A數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)傳感器實(shí)際受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度檢定以外，還需要評(píng)定傳感器輸出信號(hào)的同步度和線性度等指標(biāo)。同步度來(lái)表示電子油門踏板的兩路傳感器輸出信號(hào)的相關(guān)性，其計(jì)算公式為:

(1)

式中：T為同步度；α為同步系數(shù),取0.5；PPS1(θ)為傳感器a在旋轉(zhuǎn)角度為θ的實(shí)測(cè)電壓值，V；PPS2(θ)為傳感器b在旋轉(zhuǎn)角度為θ的實(shí)測(cè)電壓值,V；Vdd1為霍爾傳感器a的供電電壓，V；Vdd2為霍爾傳感器b的供電電壓，V。同步度可反映出兩個(gè)霍爾芯片的安裝位置是否對(duì)稱，同步度越小說(shuō)明電子油門踏板的生產(chǎn)工藝越高。傳感器輸出信號(hào)的線性度為：

(2)

其中i=1表示選擇傳感器a，i=2表示選擇傳感器b；PPSI(θ)為傳感器輸出信號(hào)設(shè)計(jì)值，V；PPSi(θ)為傳感器輸出信號(hào)實(shí)測(cè)值，V；Vddi為傳感器的供電電壓，V。

電子油門踏板理想的輸出電壓曲線與旋轉(zhuǎn)角度成正比，因此其輸出信號(hào)的線性度數(shù)值越低，則電子油門踏板的線性度越好，傳感器在磁場(chǎng)中的工作方式的可靠性越好。

2 有限元建模

利用有限元分析軟件，對(duì)于傳感器的工作環(huán)境進(jìn)行了模擬，并對(duì)牌號(hào)為REFe165/170永磁體進(jìn)行建模，并采用PLANE53(四邊形4節(jié)點(diǎn))的磁單元和PLANE53(4節(jié)點(diǎn)，6節(jié)點(diǎn))的鐵環(huán)單元對(duì)磁場(chǎng)空間劃分。

根據(jù)實(shí)物，設(shè)置永磁鐵和屏蔽環(huán)的仿真參數(shù)。永磁鐵的牌號(hào)為REFe240/110，其相對(duì)磁導(dǎo)率μr=Br/μ0Hc，其中Br為磁鐵的剩磁(Br=1.14 T)，μ0為真空磁導(dǎo)率(μ0=4π×10-7T·m/A)，Hc為矯頑力(Hc=850 kA/m)，求得永磁鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為μr=1.06 T·m/A。屏蔽環(huán)選用的是牌號(hào)為DT3的軟磁，其磁導(dǎo)率為7.5 mT·m/A，其矯頑力為10 A/m。

最后對(duì)給定磁性參數(shù)和大小的磁系單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 磁系單元所在空間的網(wǎng)格劃分

在永磁場(chǎng)中，由于其泊松方程和靜電場(chǎng)的泊松方程完全相同，則可以按照靜電場(chǎng)中的泊松方程來(lái)進(jìn)行解答[8]，其求解方程如下：

(3)

(4)

在此仿真分析中，要精確得到磁場(chǎng)位置的解析解，就必須從給定的邊界條件和初始條件求其數(shù)值解。

(5)

式中，Γ為諾依曼邊界；n為邊界的外法線矢量；f(Γ)和h(Γ)為一般函數(shù)[9]。

圖3 永磁體的仿真結(jié)果

3 仿真的結(jié)果及討論

采用INFIN9單元來(lái)劃分邊界，分別對(duì)PLANE53的磁單元和屏蔽鐵圈單元?jiǎng)澐謪^(qū)域并施加載荷，利用磁矢量位法求解，得到電子油門踏板磁場(chǎng)的磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度,如圖4所示。

假定永磁鐵和屏蔽環(huán)的位置固定，磁感應(yīng)強(qiáng)度N極為正，S極為負(fù)，兩個(gè)傳感器繞著磁場(chǎng)軸心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由圖4看出，傳感器所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大變化范圍0.428 mT，其影響幾乎忽略不計(jì)，可以將其看作均勻磁場(chǎng)。

圖4 旋轉(zhuǎn)角度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

實(shí)際作用在傳感器上的磁感應(yīng)強(qiáng)度是傳感器所在位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的分量，傳感器a和傳感器b平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分別為B1=Bcosθ和B2=-Bcosθ(0°?θ<360°)，其中B為傳感器所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，該分量與旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)角度與磁感應(yīng)強(qiáng)度分量的關(guān)系

由上圖中曲線可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，兩個(gè)傳感器的變化趨勢(shì)相反，傳感器a的磁感應(yīng)強(qiáng)度先增大后減小，傳感器b的磁感應(yīng)強(qiáng)度先減小后增大。為了滿足傳感器旋轉(zhuǎn)角度與輸出信號(hào)的線性關(guān)系，則兩個(gè)傳感器的線性區(qū)域必須在75～105°和255～285°范圍內(nèi)，此時(shí)兩個(gè)傳感器的初始安裝角度分別為75°和255°。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用WT10A數(shù)字特斯拉計(jì)來(lái)測(cè)量傳感器所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，該儀器采用的是霍爾響應(yīng)原理工作的，其分辨力為0.1 mT，適用于靜態(tài)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測(cè)。其對(duì)于傳感器位置測(cè)量得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度為45.1 mT，仿真磁感應(yīng)為強(qiáng)度45.18 mT，仿真誤差為0.08 mT，小于特斯拉計(jì)的分辨率。在儀表的測(cè)量精度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果基本一致。

在安裝好帶有傳感器的電路板和磁鐵后，需要對(duì)傳感器校準(zhǔn)。由圖4的曲線看出，傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度程周期變化，取傳感器的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為180°、220°、260°的踏板進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)霍爾編程器校準(zhǔn)軟件，寫入電子油門踏板的兩個(gè)傳感器的電壓變化參數(shù)0.55～2.1 V和1.1～4.2 V，讀取其初始AD值和最大角度的AD值，將計(jì)算得到的原點(diǎn)值和靈敏度寫入傳感器。

霍爾傳感器工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度有4種，分別是-30～30 mT、-60～60 mT、-90～90 mT和-150～150 mT(設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度N極為正，S極為負(fù))，傳感器實(shí)際受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度在傳感器規(guī)定的-60～60 mT的變化范圍內(nèi)。根據(jù)測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，寫入工作參數(shù)為±60 mT的磁場(chǎng)變化范圍，以滿足傳感器實(shí)際工作的磁場(chǎng)變化范圍。校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在180°的位置處，傳感器的原點(diǎn)值和靈敏度均超出范圍。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在此處位置傳感器受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)200 mT，超出了傳感器的工作范圍。

然后再分別對(duì)校準(zhǔn)過(guò)的、位置為220°和260°的電子油門踏板進(jìn)行性能測(cè)試，本文采用電子油門踏板的旋轉(zhuǎn)角度為0°～18°，在忽略摩擦力、傳感器誤差和磁場(chǎng)誤差的情況下，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后踏板的電壓-角度曲線如圖6所示，電子油門踏下的角度是通過(guò)雙路霍爾傳感器的輸出電壓體現(xiàn)的，理論上該輸出電壓應(yīng)該和旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系[10]。

在圖6中，輸出特性曲線中A1和A2是260°安裝位置的傳感器輸出曲線，輸出特性曲線中B1和B2是220°安裝位置的傳感器輸出曲線。兩種位置的電子油門踏板經(jīng)過(guò)性能測(cè)量，其部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)于前者，其線性度和同步度數(shù)值超標(biāo)，不滿足要求。而對(duì)于后者的測(cè)試曲線，各項(xiàng)指標(biāo)符合《汽車電子油門踏板總成技術(shù)條件》的技術(shù)指標(biāo)。

圖6 霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)輸出曲線的對(duì)比圖

旋轉(zhuǎn)角度曲線傳感器a正成/(%)傳感器b正成/(%)傳感器a回成/(%)傳感器b回成/(%)260°線性度1.451.150.810.71同步度0.10.12220°線性度6.446.66.326.82同步度8.158.32

5 結(jié)論

在特斯拉計(jì)測(cè)量的測(cè)量誤差范圍內(nèi)，其測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化范圍與傳感器的仿真結(jié)果一致。并對(duì)不同磁鋼位置的電子油門踏板進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有在線性角度區(qū)間內(nèi)，其校準(zhǔn)不會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)，電子油門踏板檢測(cè)的結(jié)果亦符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于傳感器輸出的電信號(hào)正比于其磁感應(yīng)強(qiáng)度，所以傳感器在工作時(shí)受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)角度是線性的關(guān)系。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的分析得到，電子油門踏板傳感器受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化和仿真的數(shù)據(jù)基本一致，仿真模型基本正確，傳感器在磁場(chǎng)中的工作方式滿足其輸出電壓和旋轉(zhuǎn)角度的線性關(guān)系。

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Magnetic Field Simulation and Experimental Research of the Electronic Accelerator Pedal

Xu Yuan，Guo Bin，Yuan Yuefeng

(China Jiliang University, College of Metrology & Measurement Engineering, Hangzhou 310018，China)

The used of the programmable sensor about automotive electronic accelerator pedal, changing the position of the pedal which is converted to linear analog voltage output, having the advantages of good product consistency and long life span, is more and more widely used. The wrong position of pedal’s magnets position is easy to cause the abnormal sensor calibration and the output signal’s nonlinear problem, analyzing the pedal rotating permanent of magnet magnetic. And magnetic field finite element analysis was carried out by using ANSYS software modeling and simulation, analyzing the influencing factors between the pedal rotation angle and position sensor installed, which is verified in the electronic accelerator pedal’s testing system. The experimental results show that the dual type electronic accelerator pedal’s output linearity is 1.45%, synchronous index is 0.12%, which is conformed to the product technical standard.

electronic accelerator pedal; magnetic field; simulation; Hall sensor

2016-06-27；

2016-07-18。

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃(2015C31081)。

徐 源(1990-)，男，重慶開縣人，碩士研究生，主要從事汽車零部件檢測(cè)，測(cè)試計(jì)量技術(shù)等方向的研究。

郭 斌(1977-),男，山東日照人，副教授，主要從事汽車電子技術(shù)、自動(dòng)化檢測(cè)裝置、精密檢測(cè)技術(shù)等方向的研究。

1671-4598(2016)09-0278-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.078

TP274

B