霍爾傳感器在濕式DCT上的應(yīng)用與研究

朱 倩，李曉波，劉學(xué)武，鄧云飛

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

霍爾傳感器是濕式雙離合自動(dòng)變速器 （DCT）控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。將傳感器安裝在變速器中，測(cè)量變速器運(yùn)行過程中相關(guān)部件的工作狀態(tài)，并將它們轉(zhuǎn)為自動(dòng)變速器控制單元 （TCU）可處理的電信號(hào)，TCU進(jìn)而可對(duì)相關(guān)執(zhí)行元件進(jìn)行適時(shí)控制?；魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無觸點(diǎn)、可靠性高、溫度性能好、壽命長(zhǎng)、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)［1］，適用于運(yùn)行環(huán)境多變的自動(dòng)變速器中。齒輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和撥叉位置信號(hào)對(duì)濕式DCT的換擋品質(zhì)和安全性起著極其重要的作用，采用霍爾傳感器可以提高信號(hào)的穩(wěn)定性和精度。

1 霍爾傳感器原理

1.1 霍爾效應(yīng)原理

霍爾傳感器是一種利用半導(dǎo)體材料霍爾效應(yīng)［2］進(jìn)行測(cè)量的磁敏式傳感器。霍爾效應(yīng)是指在一個(gè)矩形半導(dǎo)體薄片上有一電流通過，此時(shí)如有一磁場(chǎng)也作用于該半導(dǎo)體材料上，則垂直于電流方向的半導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓，該電壓就稱為霍爾電壓。

霍爾效應(yīng)原理如圖1所示。圖1中采用N型半導(dǎo)體薄片，N型半導(dǎo)體的載流子為電子。半導(dǎo)體薄片通以電流I，并垂直施加磁場(chǎng)B，半導(dǎo)體中電子將沿電流相反方向運(yùn)動(dòng)，電子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力fL的作用，并發(fā)生偏移，使半導(dǎo)體薄板一側(cè)形成電子累積，對(duì)應(yīng)另一側(cè)形成正電荷累積，于是半導(dǎo)體該兩側(cè)形成電場(chǎng)E。電子在電場(chǎng)E中受到電場(chǎng)力fE的作用，電場(chǎng)力fE與洛倫茲力fL方向相反，因此，電場(chǎng)E將阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電子所受電場(chǎng)力fE與洛倫茲力fL相等時(shí)，電子在側(cè)面的累積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)，半導(dǎo)體兩側(cè)之間建立的電場(chǎng)E為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH。

圖1 霍爾效應(yīng)原理

半導(dǎo)體寬度為W，厚度為d，當(dāng)電子所受電場(chǎng)力fE與洛倫茲力fL相等時(shí)有fE=fL，其中fL=qvB、fE=qEH=qUH／W，則

設(shè)半導(dǎo)體中電子濃度為n，電流I為I=nqvWd，則電子的平均速率為

其中針對(duì)同一半導(dǎo)體薄片，電子電荷量q、電子濃度n、厚度d為定值，若半導(dǎo)體通過的電流I為恒定值，則霍爾電勢(shì)UH與磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比。

1.2 霍爾傳感器工作原理

濕式雙離合變速器中的霍爾位置傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器便是利用霍爾效應(yīng)原理制成，將位移、轉(zhuǎn)速變化量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量進(jìn)行測(cè)量，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量通過電信號(hào)形式傳感出來，達(dá)到自動(dòng)測(cè)量與控制的目的。

霍爾傳感器一般由霍爾片、放大器、電源等組成［3］?；魻柶淖饔檬歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)將磁性大小轉(zhuǎn)換成輸出電壓值；霍爾片輸出的霍爾電壓較小，一般在毫伏級(jí)，不方便測(cè)量，因此通過放大器將霍爾電壓放大以滿足測(cè)量要求

齒輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和撥叉位置信號(hào)對(duì)濕式DCT的換擋品質(zhì)和安全性起著極其重要的作用，而霍爾傳感器中霍爾片輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，在搭載DCT的車輛中，模擬信號(hào)由傳感器輸出端傳遞到TCU輸入端過程中，容易受到外界和車輛內(nèi)部通信系統(tǒng)的各種噪聲干擾，使TCU接收到的擋位信號(hào)不精準(zhǔn)，影響換擋性能。因此，在DCT使用的霍爾傳感器芯片中還需添加A／D數(shù)據(jù)處理器，使傳感器輸入到TCU的為數(shù)字信號(hào)，提高轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)在傳遞過程中的抗干擾能力和精確度。

2 霍爾位置傳感器在濕式DCT上的應(yīng)用

2.1 霍爾位置傳感器在濕式DCT上的布置

霍爾位置傳感器在濕式DCT中，主要用來測(cè)量撥叉位置信號(hào)，通過將撥叉位置信號(hào)傳遞給TCU，并根據(jù)駕駛需求，控制各撥叉的移速和移向。某款7速濕式DCT，霍爾位置傳感器的布置如圖2所示。傳感器的外殼和芯片固定在閥板上，1號(hào)撥叉、2號(hào)撥叉、3號(hào)撥叉、4號(hào)擋撥叉嵌套在輸出軸上的同步器，同步器可以使擋位齒輪帶動(dòng)輸出軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 霍爾位置傳感器布置圖

變速器通過控制4個(gè)撥叉的位置來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速由輸入軸傳遞到輸出軸，輸入軸的主動(dòng)齒輪和輸出軸從動(dòng)齒輪的嚙合路線實(shí)現(xiàn)8個(gè)減速比，從而實(shí)現(xiàn)7個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋。

2.2 霍爾位置傳感器在濕式DCT中測(cè)量方式

霍爾位置傳感器測(cè)量方式如圖3所示。撥叉伸出桿下端安裝磁鐵托架，磁鐵托架中對(duì)稱放置2個(gè)小磁鐵，2個(gè)小磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)的位置測(cè)量，磁鐵磁場(chǎng)分布穩(wěn)定，傳感器中集成了霍爾片和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理芯片。

如圖3a所示，撥叉安裝到變速器的初始位置為2個(gè)擋位齒輪的中間位置，傳感器霍爾片的中心位置對(duì)應(yīng)磁鐵中心位置，將初始位置設(shè)置為0，TCU控制撥叉在輸出軸軸向移動(dòng)范圍為：正向移動(dòng)0～10 mm、反向移動(dòng)0～-10 mm，-10 mm和10 mm位置點(diǎn)為撥叉帶動(dòng)同步器與相應(yīng)擋位齒輪結(jié)合點(diǎn)。

如圖3b所示，撥叉在軸向移動(dòng)時(shí)，霍爾片處于相對(duì)磁鐵不同位置，使霍爾片受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，根據(jù)式 （3），當(dāng)霍爾片通過穩(wěn)定的電流I時(shí)，根據(jù)霍爾片的輸出電壓UH，可以算出磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而換算出霍爾片的位置。

圖3 霍爾位置傳感器測(cè)量方式

2.3 霍爾位置傳感器與TCU的匹配

2.3.1 位置傳感器輸出信號(hào)處理方式

霍爾位置傳感器由霍爾片、放大器、恒定電源及A／D數(shù)據(jù)處理器等組成，恒定電源使通過霍爾片的控制電流不變，A／D數(shù)據(jù)處理器主要將放大后的霍爾電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，并控制PWM信號(hào)是一種頻率不變、高電平幅度不變、高電平寬度可變的方波信號(hào)。A／D數(shù)據(jù)處理器將不同的電壓值轉(zhuǎn)化為不同占空比的PWM信號(hào)，占空比［4］是PWM信號(hào)中方波高電平寬度跟周期的比例值，圖4表示占空比分別為50%和20%的PWM信號(hào)。

圖4 不同占空比PWM信號(hào)

霍爾片與磁鐵的相對(duì)位置使撥叉位置與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，根據(jù)式 （3）磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓呈線性關(guān)系，并且傳感器A／D數(shù)據(jù)處理器使輸出電壓與傳感器輸出PWM信號(hào)的占空比呈線性關(guān)系，因此撥叉位置與傳感器輸出PWM信號(hào)的占空比呈線性關(guān)系，如圖5所示。初始位置0對(duì)應(yīng)占空比50% （圖4a），結(jié)合點(diǎn)-10 mm和10 mm對(duì)應(yīng)占空比20%（圖4b）和80%。位置傳感器的輸出PWM信號(hào)傳遞給TCU后，TCU通過計(jì)算信號(hào)占空比，可以獲得撥叉當(dāng)前位置信號(hào)，從而控制撥叉的移動(dòng)狀態(tài)，位置傳感器不斷反饋當(dāng)前撥叉位置信號(hào)給TCU，從而確保正確擋位的結(jié)合和有效減少擋位結(jié)合的沖擊力，提高變速器的換擋性能和整車駕駛的安全性。

圖5 撥叉位置與PWM信號(hào)占空比關(guān)系

2.3.2 位置傳感器硬件接口電路匹配

位置傳感器與TCU的接口一般采用三線電壓式，如圖6所示。傳感器與TCU之間有電源線、信號(hào)線、搭鐵線3根連接線；傳感器輸出為電壓信號(hào)，TCU端通過下拉較大電阻（10 kΩ）和較小電容 （20 nF），組成低通濾波電路，可以消除傳感器輸出信號(hào)中的高頻噪聲，提高電壓信號(hào)傳遞過程的準(zhǔn)確性和精度。

位置傳感器布置在液壓閥板上，實(shí)際使用時(shí)會(huì)浸入變速器油中，且在-40～150℃范圍內(nèi)能正常工作，位置傳感器的關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)要求如表1所示，根據(jù)TCU需求位置信號(hào)輸出PDM頻率可設(shè)置為250～1000 Hz，PWM信號(hào)的脈沖寬度隨撥叉位置變化，傳感器可測(cè)位置范圍需要大于變速器撥叉的移動(dòng)范圍 （-10～10 mm），可設(shè)置為 （-12～12 mm）。

圖6 位置傳感器與TCU接口電路

表1 位置傳感器關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)

3 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在濕式DCT上的應(yīng)用

3.1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在濕式DCT上布置

在濕式DCT中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速傳遞到雙離合器，通過結(jié)合相應(yīng)的離合器將轉(zhuǎn)速傳遞到外輸入軸或內(nèi)輸入軸，再通過控制撥叉掛上相應(yīng)擋位，最終將轉(zhuǎn)速傳遞到車輪。圖7為某7速濕式DCT離合器輸出轉(zhuǎn)速傳感器的布置，傳感器外殼和芯片固定在閥板上，傳感器感應(yīng)面對(duì)應(yīng)外輸入軸和內(nèi)輸入軸上固連的感應(yīng)齒輪。

圖7 離合器輸出轉(zhuǎn)速傳感器布置圖

變速器輸出轉(zhuǎn)速傳感器的布置如圖8所示，傳感器外殼和芯片固定在殼體上，傳感器感應(yīng)面對(duì)應(yīng)駐車棘輪，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由離合器傳遞到變速器輸入軸，再傳遞到輸出軸，輸出軸傳遞到差速器，差速器的輸出端便將轉(zhuǎn)速傳遞到車輪，差速器也將轉(zhuǎn)速傳遞到駐車軸，因此，測(cè)量與駐車軸固連的駐車棘輪轉(zhuǎn)速，可以反映變速器輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)。

此外，變速器輸入軸只有一個(gè)轉(zhuǎn)向，因此離合器輸出轉(zhuǎn)速傳感器不帶方向檢測(cè)；而變速器輸出轉(zhuǎn)速傳感器帶方向檢測(cè)，需檢測(cè)倒擋輸出狀態(tài)。

圖8 變速器輸出轉(zhuǎn)速傳感器布置圖

3.2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在濕式DCT中測(cè)量方式

3.2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量方式

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量方式如圖9所示。傳感器中霍爾片中心位置對(duì)應(yīng)感應(yīng)齒輪可測(cè)范圍中心位置，將永磁鐵固定在霍爾片背面中心位置，磁鐵可以產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，磁鐵的磁場(chǎng)線穿過霍爾片傳遞到齒輪，而齒輪材料一般為鋼，鋼靠近磁鐵時(shí)會(huì)影響磁場(chǎng)分布。

如圖9a所示，齒輪的一個(gè)齒和霍爾片正相對(duì)時(shí)，此時(shí)穿過霍爾片的磁力線集中，磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)較大；如圖9b所示，齒輪的兩個(gè)齒中間和霍爾元件正對(duì)時(shí)，此時(shí)穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)較小。因此，在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，磁鐵在霍爾片上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生強(qiáng)弱變化，類似正弦變化曲線，根據(jù)式 （3），霍爾片輸出電壓UH波形也呈正弦變化，該正弦波的一個(gè)周期與齒輪的一個(gè)齒對(duì)應(yīng)，根據(jù)輸出波形的周期和齒數(shù)可以換算出齒輪轉(zhuǎn)速。

在濕式DCT中，離合器輸出轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量一般采用差分霍爾傳感器［5］。差分霍爾轉(zhuǎn)速傳感器使用2個(gè)對(duì)稱布置的霍爾片，2個(gè)霍爾片產(chǎn)生的電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，不僅使傳感器靈敏度大為提升，也可消除2個(gè)霍爾片同源的干擾信號(hào)，這種差分霍爾傳感器適用于干擾信號(hào)較多的汽車中。

圖9 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量方式

3.2.2 帶方向判斷轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量方式

變速器輸出轉(zhuǎn)速傳感器采用差分霍爾傳感器，并帶方向檢測(cè)，需要3個(gè)霍爾片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方式如圖10所示，霍爾片A和霍爾片B輸出差分信號(hào)，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速信號(hào)為ΔUS=UA-UB，霍爾片C的輸出用于判斷方向，霍爾片C放置在霍爾片A和霍爾片B中間位置，即方向信號(hào)為ΔUD=UC-（UA+UB）／2，并且霍爾片C輸出信號(hào)與霍爾片A或霍爾片B輸出信號(hào)相位差90°。

圖10 帶方向轉(zhuǎn)速測(cè)量方式

如圖10所示，當(dāng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪中同一齒頂先靠近霍爾片A，再靠近霍爾片C，最后靠近霍爾片B，3塊霍爾片信號(hào)如圖11所示?；魻柶珺的輸出信號(hào)比霍爾片A滯后180°，差分放大處理獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS，霍爾片C的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS同偏距的方向信號(hào)ΔUD，方向信號(hào)ΔUD比轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS滯后90°；同理，當(dāng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方向信號(hào)ΔUD比轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS超前90°，通過判斷方向信號(hào)ΔUD和轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS信號(hào)相位差，即可判斷齒輪轉(zhuǎn)向［6］。

圖11 3塊霍爾片信號(hào)變化及處理

3.3 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器與TCU的匹配

3.3.1 轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)處理方式

對(duì)于不帶方向檢測(cè)的離合器輸出轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS經(jīng)A／D數(shù)據(jù)處理器處理后，傳感器輸出信號(hào)UO是一個(gè)頻率隨正弦波頻率變化的方波信號(hào)，如圖12所示。TCU接收到反饋轉(zhuǎn)速的方波信號(hào)UO，根據(jù)方波信號(hào)的頻率和感應(yīng)齒輪的齒數(shù)，可以計(jì)算出齒輪的轉(zhuǎn)速，即對(duì)應(yīng)輸入軸的轉(zhuǎn)速。

對(duì)于帶方向檢測(cè)的變速器輸出轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器芯片中還需有相位差判斷電路，方向信號(hào)ΔUD經(jīng)相位差判斷電路處理確定齒輪的轉(zhuǎn)向，A／D數(shù)據(jù)處理器將轉(zhuǎn)速信號(hào)ΔUS轉(zhuǎn)換為脈沖寬度不變、頻率隨轉(zhuǎn)速信號(hào)變化的脈沖信號(hào)，齒輪順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖寬度不同，輸出信號(hào)如圖13所示。信號(hào)輸入到TCU時(shí)，TCU通過計(jì)算脈沖信號(hào)的脈沖寬度可以判斷齒輪的轉(zhuǎn)向，根據(jù)脈沖信號(hào)的頻率和感應(yīng)齒輪的齒數(shù)，可以計(jì)算出齒輪的轉(zhuǎn)速，即對(duì)應(yīng)變速器輸出轉(zhuǎn)速。

圖12 轉(zhuǎn)速正弦信號(hào)轉(zhuǎn)為方波信號(hào)

圖13 不同轉(zhuǎn)向方波信號(hào)

3.3.2 轉(zhuǎn)速傳感器硬件接口電路匹配

轉(zhuǎn)速傳感器與TCU的接口采用兩線電流式，如圖14所示［7］。傳感器與TCU之間有電源線、信號(hào)線2根連接線；傳感器輸出為電流信號(hào)，不同于位置傳感器，TCU端通過下拉較小電阻 （可選取150 Ω），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為TCU中單片機(jī)可識(shí)別的電壓信號(hào)，下拉較小電容 （可選取1 nF）實(shí)現(xiàn)濾波、穩(wěn)定信號(hào)作用。

變速器的工作極限溫度為-40～150℃，轉(zhuǎn)速傳感器該溫度范圍內(nèi)能正常工作，轉(zhuǎn)速傳感器關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)如表2所示，轉(zhuǎn)速測(cè)試范圍為0～8500 r／min；傳感器的輸出信號(hào)（低信號(hào)6 mA，高信號(hào)14 mA），通過下拉電阻150 Ω轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào) （低信號(hào)0.9V，高信號(hào)2.1 V）；轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)高信號(hào)寬度為60 μs時(shí)，可判斷齒輪為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)高信號(hào)寬度為120 μs時(shí)，判斷齒輪為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖14 轉(zhuǎn)速傳感器與TCU接口電路

表2 轉(zhuǎn)速傳感器關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)

4 結(jié)論

本文根據(jù)濕式雙離合自動(dòng)變速器的運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合霍爾傳感器的霍爾效應(yīng)原理，分析了霍爾傳感器測(cè)量濕式DCT轉(zhuǎn)速和位置等基礎(chǔ)信號(hào)的工作原理，提出了傳感器在變速器中的布置方式和測(cè)試方法，同時(shí)分析了霍爾傳感器與TCU的匹配與應(yīng)用。本文針對(duì)霍爾傳感器在濕式DCT上的應(yīng)用研究，可為濕式DCT的研發(fā)提供參考，有助于提高國內(nèi)自研DCT的使用性能，為濕式雙離合自動(dòng)變速器傳感器的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。