霍爾式相位傳感器信號精度的影響因素淺析①

王凌志

(同濟(jì)大學(xué),上海 200092)

0 引 言

霍爾式相位傳感器是是利用霍爾效應(yīng)測量發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的角度位置信息，其核元器件是霍爾芯片，評估傳感器的優(yōu)劣的關(guān)鍵特性是輸出信號的精度與穩(wěn)定精度。程娟，陳若飛等針對傳感器在的功能和常見客戶端故障類型做過研究和總結(jié)，英飛凌的應(yīng)用工程師何喜富也針對霍爾芯片的誤差補(bǔ)償邏輯和磁滯算法做過介紹。給予前述研究人員的工作基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了傳感器總成和配套信號輪設(shè)計(jì)和使用的角度對影響傳感器信號精度的影響因素，以及每種影響因素的影響機(jī)理進(jìn)行了分析和梳理，可以對傳感器的開發(fā)和研究人員提供參考。

1 相位傳感器的功能

相位傳感器是汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，將凸輪軸的位置信息轉(zhuǎn)化成電信號輸送給ECU(Electric Control Unit)，以便于ECU準(zhǔn)確地判斷1缸上止點(diǎn)位置，從而進(jìn)行噴油和點(diǎn)火控制。如圖1所示：相位傳感器將凸輪軸信號輪的外形特征轉(zhuǎn)化成方波信號，同時(shí)曲軸位置傳感器將曲軸信號輪的外形轉(zhuǎn)變成方波信號。ECU根據(jù)凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器給出的兩個(gè)方波信號判斷是否啟動(dòng)點(diǎn)火線圈；如果需要，ECU則會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖信號給到點(diǎn)火線圈；點(diǎn)火線圈接到ECU信號后產(chǎn)生一個(gè)約40kV的高電壓信號給到火花塞，火花塞擊穿混合氣產(chǎn)生火花引燃混合氣，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過程。

圖1 凸輪軸位置傳感器的功能介紹

2 霍爾式相位傳感器工作原理簡介

霍爾式凸輪軸位置傳感器利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行位置識別。1879年霍爾(hall)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過有磁場垂穿過的長方形金屬片時(shí)，金屬片的側(cè)面會(huì)產(chǎn)生微弱的電動(dòng)勢的現(xiàn)象，稱之為霍爾效應(yīng)，此電動(dòng)勢稱為霍爾電動(dòng)勢?；魻栃?yīng)對于一切導(dǎo)體(包括半導(dǎo)體)都是適應(yīng)的,其本質(zhì)上是由于運(yùn)動(dòng)電荷受到磁場力、電場力作用的結(jié)果。根據(jù)霍爾效應(yīng)理論在磁場不太強(qiáng)時(shí)，霍爾電動(dòng)勢UH與電流強(qiáng)度I和磁場強(qiáng)度B成正比，與載流體的厚度d成反比：

其中kH為霍爾系數(shù)。

霍爾式傳感器是根據(jù)信號輪的齒或漕轉(zhuǎn)過傳感器頭部時(shí)霍爾元器件位置的磁場強(qiáng)度B的變化(如圖2),將信號輪外形的轉(zhuǎn)化成電信號UH的輸出狀態(tài)。

3 相位傳感器的輸出信號精度的影響因素分析

相位傳感器(以下簡稱傳感器)的輸出信號精度是指傳感器輸出的電信號角度位置與實(shí)際信號輪齒位置的之間的角度偏差值(如圖3)，所以精度的絕對值越小說明傳感器的信號越準(zhǔn)確；不同圈數(shù)的信號精度的散差值越小說明傳感器的輸出信號越穩(wěn)定，即重復(fù)精度越好。與信號齒的兩個(gè)邊沿相對應(yīng)，傳感器輸出電信號有上升沿信號精度和信號下降沿信號精度。由于霍爾芯片可以分為初始階段、預(yù)標(biāo)定階段和運(yùn)行模式階段；通常將初始模式和預(yù)標(biāo)定階段的精度值稱為啟動(dòng)精度，穩(wěn)定運(yùn)行階段的精度稱為運(yùn)行信號精度。

圖2 霍爾傳感器工作原理示意圖

3.1 霍爾式相位傳感器信號精度的基本概念介紹

TPO(True Power On)上電即得功能，要求傳感器在上電的瞬間能夠識別出對應(yīng)的是信號輪的齒或漕。BTPO值是為了實(shí)現(xiàn)TPO功能而設(shè)定的磁場強(qiáng)度判斷閾值。通常需要先對目標(biāo)信號輪進(jìn)行mapping，測出信號輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)芯片位置的實(shí)際磁場強(qiáng)度值變化曲線，再根據(jù)mapping數(shù)值來設(shè)定BTPO值。如圖4所示：由于不同空氣間隙下磁場強(qiáng)度變化較大，所以BTPO的設(shè)定值需要比最大氣息時(shí)的齒對應(yīng)的磁場強(qiáng)度要低，而且比最小氣息時(shí)漕對應(yīng)的磁場強(qiáng)度要大，即滿足：

B齒>BTPO，B漕

圖3 傳感器信號精度示意圖

霍爾芯片在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)是以Bcal作為切換閾值進(jìn)行信號切換，Bcal的計(jì)算參照式(1)為：

Bcal=Bmin+ (Bmax-Bmin)*K0

(1)

根據(jù)公式(1)：Bmax，Bmin是可以直接根據(jù)mapping數(shù)據(jù)讀出的最大磁場強(qiáng)度值和最小磁場強(qiáng)度值，K0是霍爾芯片信號切換點(diǎn)的切換比例。K0值選擇的不同，芯片的輸出性能也會(huì)不同。

由于傳感器與信號輪間的空氣間隙不同時(shí)磁場強(qiáng)度絕對值的差異較大，需要對mapping的測量曲線按照公式(2)進(jìn)行歸一化處理來降低因空氣間隙對輸出信號的影響，mapping曲線經(jīng)過歸一化處理后的結(jié)果如圖6所示。運(yùn)行信號精度是根據(jù)公式(1)中的K0設(shè)定值和歸一化曲線，來決定切換閾值。

Bnor=(B-BminAG1) /(BmaxAG1-Bmin AG1) *100

(2)

圖4 針對某四齒信號輪的mapping曲線

圖5 霍爾芯片不同階段信號切換閾值示意圖

3.2 影響啟動(dòng)精度的因素分析

啟動(dòng)精度是從傳感器上電后第一個(gè)信號開始至初始標(biāo)定階段結(jié)束時(shí)間段內(nèi)的角度偏差值。傳感器上電后，遇到的第一個(gè)轉(zhuǎn)過齒的邊沿是以BTPO的值作為切換閾值進(jìn)行切換，然后根據(jù)芯片設(shè)定的補(bǔ)償步長或者步數(shù)逐步調(diào)整到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的切換閾值Bcal。通常情況下啟動(dòng)精度要比芯片穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的信號精度要大得多。下面介紹幾種會(huì)影響啟動(dòng)精度的因素：

3.2.1BTPO值的設(shè)定

傳感器上電后第一個(gè)轉(zhuǎn)過的齒沿以BTPO的值進(jìn)行信號切換，所以BTPO值與Bcal之間的磁場強(qiáng)度差值會(huì)影響啟動(dòng)精度。|Bcal-BTPO| 的差值越大，則啟動(dòng)精度越大。

圖7 不同間隙下啟動(dòng)精度的對比結(jié)果

圖8 不同K0值的信號精度結(jié)果對比

圖9 磁滯算法的不同對Bcal的影響關(guān)系

3.2.2 信號輪與傳感器間的空氣間隙大小

根據(jù)圖4的mapping曲線可知，不同空間間隙下磁場強(qiáng)度的絕對值差別很大；空氣間隙越小，式(1)中Bmin值增加的較小而Bmax值增加量更大，在K0不變的條件下Bcal的絕對值也會(huì)越大。圖7是在不同間隙下啟動(dòng)精度的測試結(jié)果對比，小間隙時(shí)啟動(dòng)精度越小，大間隙時(shí)啟動(dòng)精度較小。

3.2.3 背磁的磁場強(qiáng)度的大小

霍爾式芯片工作是需要傳感能夠提供原始的基礎(chǔ)磁場強(qiáng)度，即是背磁?；A(chǔ)磁場越大則mapping曲線的也會(huì)向上移動(dòng)，磁場變化幅值越大則曲線變高;會(huì)導(dǎo)致|Bcal-BTPO|的差值變大。啟動(dòng)精度也會(huì)變大。

3.2.4 預(yù)標(biāo)定階段的補(bǔ)償步長的選擇

預(yù)標(biāo)定階段設(shè)定的補(bǔ)償步長或者步數(shù)的參數(shù)設(shè)定，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)切換點(diǎn)的磁場強(qiáng)度值的不同；每次補(bǔ)償?shù)拇艌鰪?qiáng)度值稱為步長，到標(biāo)定階段所經(jīng)歷的補(bǔ)償次數(shù)稱為步數(shù)。步長越短，補(bǔ)償步數(shù)會(huì)越多，預(yù)標(biāo)定階段的精度值會(huì)越?。徊介L越長，補(bǔ)償步數(shù)會(huì)越小，預(yù)標(biāo)定階段的精度值會(huì)越大。

3.3 影響穩(wěn)定運(yùn)行信號精度的因素分析

根據(jù)公式(1)：在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)影響霍爾芯片的信號切換的參數(shù)Bcal值的大小，Bcal的影響參數(shù)有Bmin，Bmax和K0值等。

3.3.1 切換比例K0的設(shè)定

一般的霍爾芯片都會(huì)給出不同的K0值供客戶選擇，如38.67%,51.17%,69.92%等。K0值選擇的不同，在不同空氣間隙下，歸一化曲線的橫坐標(biāo)的差值大小不一致，進(jìn)而影響不同空氣間隙下Bcal值的大小。故K0值的選擇會(huì)影響信號精度。圖8是選擇不同K0值時(shí)，傳感器的輸出信號精度測試結(jié)果對比。

3.3.2 芯片磁滯算法的選擇

為了降低噪音對凸輪軸位置傳感器的信號切換的影響，霍爾芯片常會(huì)引入磁滯算法的概念。磁滯算法的選擇會(huì)影響實(shí)際切換點(diǎn)的Bcal值發(fā)生變化，進(jìn)而影響信號精度。圖9說明了不同磁滯算法的選擇對信號輸出精度的影響關(guān)系。

3.3.3 信號輪與傳感器間的空氣間隙大小

空氣間隙的大小直接影響了Bmin和Bmax值的大小，雖然通過歸一化處理的計(jì)算邏輯能夠減小不同空氣間隙對Bcal的影響，但是無法做到完全消除；所以空氣間隙仍然會(huì)影響信號的輸出精度。

3.3.4 信號輪的設(shè)計(jì)

信號輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和齒形的設(shè)計(jì)會(huì)影響mapping曲線中的overshoot(圖4中波峰的兩個(gè)尖角)和小角度漕對應(yīng)的最小磁場強(qiáng)度，也就是Bmax和Bmin值。

3.3.5 信號輪安裝的圓跳度

信號輪安裝的圓跳度較大時(shí)，每個(gè)切換閥值所參照的前一對Bmax和Bmin值都在不斷變化，即使K0值不變，Bcal值也會(huì)因信號輪的圓跳度和信號輪轉(zhuǎn)過的角度的影響而產(chǎn)生較大幅度的變化，信號精度也會(huì)隨之不斷變化，重復(fù)性變差。

4 結(jié) 論

本文簡單介紹了相位傳感器的功能和工作原理；并詳細(xì)描述了相位傳感器輸出信號精度的概念及其計(jì)算邏輯。利用理論分析和實(shí)驗(yàn)測試的方法著重分析了傳感器信號精度的影響因素及其影響機(jī)理。影響啟動(dòng)精度的主要因素有：BTPO值的設(shè)定、信號輪與傳感器之間的間隙大小、背磁的磁場強(qiáng)度大小和預(yù)標(biāo)定階段的補(bǔ)償步長的選擇等。影響穩(wěn)定運(yùn)行信號精度的因素有：切換比例K0值的設(shè)定、磁滯算法的選擇、空氣間隙的大小、信號輪的設(shè)計(jì)和信號輪安裝的圓跳度等。