電流型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)及診斷

李應(yīng)優(yōu) 楊燕 江銘 王定海

摘 要：本文介紹了應(yīng)用于汽車CVT變速器的電流型霍爾傳感器的測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其診斷方法。該方案以單片機(jī)MCP5744為控制核心，采集電流型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器TLE-4955的脈沖信號，通過捕獲識別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速計(jì)算以及ADC實(shí)現(xiàn)故障診斷。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器 電流 信號 系統(tǒng)

1 系統(tǒng)需求

這套測量系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)被測對象的電流信號采集、計(jì)算、診斷及傳感器電源強(qiáng)制復(fù)位。

具體功能需求如下：

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

這套測量系統(tǒng)由電源、主控芯片、電源管理系統(tǒng)、霍爾傳感器、被測信號齒組成，見圖1。

其中，

Battery：電源，即汽車用電池，12V系統(tǒng);

BMS：電源管理系統(tǒng);

MCU：MPC5744，NXP;

Sensor：電流型Hall傳感器TLE4955;

PreProcessor：信號預(yù)處理。

2.1 電源管理系統(tǒng)：

MCU與電源管理系統(tǒng)通過SPI通訊進(jìn)行電源的管理監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)3.3V、5V、9V的電源輸出、關(guān)閉及復(fù)位。

2.2 霍爾傳感器：

采用9V電源，當(dāng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范的信號齒在傳感器一定間距，對槽、對齒時，傳感器分別輸出電流7mA、14mA。

2.3 信號預(yù)處理器：

MCU的ADC功能是對輸入模擬電壓進(jìn)行識別，因此輸出電流經(jīng)過預(yù)處理器的100ohm分壓電阻R1，對應(yīng)產(chǎn)生0.7V、1.4V的信號電壓;但是這個信號電壓并不能直接被MCU的Capture功能識別，因此須加一個電壓比較器。

2.4 主控芯片：

這里介紹的主控芯片是NXP的MPC5744，雙核CPU，控制頻率達(dá)200MHz。

3 Hall電流型芯片介紹

英飛凌的TLE4955，是一款差分霍爾芯片，可以探測齒輪和磁敏編碼器的運(yùn)動。若用于探測齒輪（例如發(fā)動機(jī)飛輪信號齒、液力變矩器渦輪信號齒），需將永磁固定在芯片背面以建立磁場，傳感器輸出特定的電流PWM。

在電路設(shè)計(jì)中，對應(yīng)的傳感器信號電壓為

V=i*R

其中，

i是信號電流;

R是負(fù)載電阻。

當(dāng)傳感器正常運(yùn)行時，輸出（7±1）mA或（14±2）mA的電流，超出這個特定范圍則判定為傳感器不正常?？紤]到硬件存在一定的誤差，設(shè)計(jì)中可將傳感器合理電流范圍設(shè)定為5mA～17mA，若負(fù)載電阻為100ohm，那么傳感器信號電壓合理范圍設(shè)定為0.5V～1.7V。

該芯片的參數(shù)如下：

4 控制邏輯

軟件邏輯包括傳感器信號采集、信號診斷、電源復(fù)位、方向識別以及轉(zhuǎn)速計(jì)算，參見圖3。

4.1 信號采集：

通過MCU的ADC功能從傳感器信號腳采集電壓信號，計(jì)算得到傳感器信號電壓V_Snsr;

4.2 信號電壓范圍診斷：

傳感器信號電壓V_Snsr是否處于合理范圍內(nèi)，綜合考慮誤差情況，若V_Snsr>1.7V，報(bào)出故障碼=電壓過高;若V_Snsr<0.5V，報(bào)出故障碼=電壓過低。

4.3 傳感器電源復(fù)位：

車輛行進(jìn)過程中，但識別到一定的累計(jì)時間內(nèi)，捕獲不到任何信號脈沖，那么MCU軟件邏輯上通過SPI向電源管理系統(tǒng)發(fā)送傳感器電源復(fù)位指令，若仍然無上升沿的捕獲，那么報(bào)出故障碼傳感器失效;若通過此次電源復(fù)位，傳感器信號恢復(fù)正常，那么故障碼清零。在冬季尤其是在北方，車輛長時間停泊后第一次啟動往往先經(jīng)過一個暖機(jī)過程，環(huán)境溫度短時間內(nèi)升溫較大，例如CVT的主、從動輪轉(zhuǎn)速傳感器一直沒有信號齒轉(zhuǎn)動，也就沒有脈沖信號，而某些霍爾傳感器往往會出現(xiàn)所謂的Block現(xiàn)象，也就是在一定時間內(nèi)一直無脈沖信號且傳感器環(huán)境溫度存在較大躍遷，此后即使信號再轉(zhuǎn)動，傳感器也不輸出脈沖信號。傳感器電源復(fù)位的條件是傳感器當(dāng)前無輸出，但是參考的對比信號正常運(yùn)行，例如在CVT應(yīng)用中，如果已檢測到暖機(jī)后車輛已行進(jìn)，達(dá)到一定的車速，如果從動輪、主動輪轉(zhuǎn)速傳感器仍沒有信號輸出，此時應(yīng)對傳感器電源進(jìn)行復(fù)位。

這個電源復(fù)位功能可以從應(yīng)用層軟件邏輯上解決這個霍爾傳感器Block問題。

4.4 轉(zhuǎn)速方向識別：

當(dāng)傳感器信號電壓V_Snsr處于合理范圍內(nèi)，而且沒有Block問題，捕獲到的信號上升沿，MCU開始計(jì)時，再捕獲到信號下降沿，則MCU停止計(jì)時，記錄為T，若75us≤T≤105us，則轉(zhuǎn)速方向?yàn)槟鏁r針;若35us≤T≤55us，則轉(zhuǎn)速方向?yàn)轫槙r針。

4.5 轉(zhuǎn)速計(jì)算：

當(dāng)傳感器信號電壓V_Snsr處于合理范圍內(nèi)，而且沒有Block問題，傳感器識別的轉(zhuǎn)速=單位時間內(nèi)傳感器信號電壓上升沿捕獲數(shù)量÷信號齒齒數(shù)，同時故障碼復(fù)位。

5 驗(yàn)證

測試步驟及結(jié)論（測試數(shù)據(jù)見圖4）：

5.1 電壓范圍診斷：通過外圍模擬電路使傳感器信號電壓超出合理范圍（0.5～1.7V），設(shè)置V_Snsr≈0.4V，故障碼為電壓過低（DFC_uLow=1）;若V_Snsr≈1.7V，故障碼為電壓過高（DFC_uHigh=1），符合預(yù)期。

5.2 方向識別：信號齒順時針定速轉(zhuǎn)動，Direction_CW=1;后逆時針定速轉(zhuǎn)動，Direction_CCW=1，符合預(yù)期。

5.3 電源復(fù)位：以CVT從動輪信號齒為被測對象，因?yàn)閺膭虞喤c驅(qū)動輪之間是硬連接，若達(dá)到一定車速，但傳感器仍始終處于≈0.7V，無脈沖信號輸出，控制邏輯將傳感器電源重新復(fù)位，此時傳感器脈沖信號恢復(fù)正常，符合預(yù)期。

5.4 轉(zhuǎn)速計(jì)算：通過已校準(zhǔn)的變速器三電機(jī)臺架設(shè)定驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，從動輪400rpm→6000rpm，將臺架實(shí)際轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)計(jì)算的轉(zhuǎn)速作對比，整個過程的轉(zhuǎn)速誤差除了轉(zhuǎn)速突變瞬間>0.5%，其余皆≤0.5%，符合預(yù)期。

6 總結(jié)

通過各項(xiàng)測試，故障診斷、電源復(fù)位、方向識別以及轉(zhuǎn)速計(jì)算等功能符合設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足系統(tǒng)需求，對傳感器的信號進(jìn)行了各種故障診斷設(shè)計(jì)以及增加電源復(fù)位的軟件邏輯，特別是電源復(fù)位功能，僅需做軟件優(yōu)化，不需升級傳感器，就能有效地減少轉(zhuǎn)速傳感器在某些工況下不輸出信號導(dǎo)致變速器售后誤報(bào)故障的情況。

參考資料：

[1]《自動變速器電控系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)》，徐向陽.

[2]《TLE4955C-E2 datasheet》，Infineon.

[3]《MPC5744P ?Reference Manual》，NXP.