霍爾開關(guān)在換擋器中的應(yīng)用

桑任仲，蔡艷波，馬世璽，王一婷

（東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心電子電器部，湖北 武漢 430058）

1 概述

目前在各種換擋器中，小汽車上的自動(dòng)擋一般只有P、R、N、D這4個(gè)位置信號(hào)，或者是P、R、N、D、+、-這6個(gè)位置信號(hào)。手動(dòng)擋上位置根據(jù)變速器的擋位數(shù)決定，多數(shù)為1、2、3、4、5、N、R這7個(gè)位置，并且是雙排或者三排排列。但是在一些大型的商用車和貨車上面，換擋器很多是單排排列的，而且擋位最多的操作桿位置有1、2、3、4、5、6、7、N、R1、R2等超過10個(gè)位置。在這樣的條件下，每個(gè)擋位之間的距離很近，各個(gè)位置的信號(hào)相互干擾的可能性就很大了。

目前換擋器操作桿位置信號(hào)的采集，絕大部分采用磁信號(hào)的方式采集操作桿的位置信號(hào)，具體為：在操作桿上的某個(gè)位置加上磁鐵，當(dāng)操作桿移動(dòng)到某個(gè)位置，就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)位置的傳感器，從而換擋器的ECU就能讀到當(dāng)前的傳感器狀態(tài)，得到操作桿當(dāng)前的位置。

2 霍爾開關(guān)的原理

2.1 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子 （電子或空穴） 被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。

2.2 霍爾開關(guān)

根據(jù)霍爾效應(yīng)制作成的傳感器叫做霍爾傳感器，霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。其中本課題中采用的是開關(guān)型霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，通常也稱為霍爾開關(guān)。

如圖1所示，其中Bnp為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bnp時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bnp以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健np與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

2.3 霍爾開關(guān)的選型

霍爾的特性可以分為雙極性、單極性、線性、全極性4種。

1） 雙極性：感應(yīng)南北磁場(chǎng)的變化，通常南 （S） 極感應(yīng)，霍爾輸出低電平，直到北極 （N） 靠近，芯片輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高電平，如此往復(fù)。

2） 單極性：只感應(yīng)單向磁場(chǎng)，通常南 （S） 極靠近時(shí)輸出低電平，當(dāng)南 （S） 極離開時(shí)，芯片輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高電平，北 （N） 極感應(yīng)始終是輸出高電平。

3） 線性：芯片的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，根據(jù)感應(yīng)到的磁場(chǎng)極性和強(qiáng)度，芯片輸出電壓上升或下降。

4） 全極性：感應(yīng)南 （S） 北 （N） 磁場(chǎng)的變化，在南（S） 磁場(chǎng)和北 （N） 磁場(chǎng)下均感應(yīng)輸出高低電平變化信號(hào)。

根據(jù)擋位的設(shè)計(jì)需求，選用了HAL543單極性高靈敏度的霍爾開關(guān)，它的工作電壓在3~30V，磁場(chǎng)Bnp和BRP分別為120G和60G，工作的溫度-40~150℃，它由反向電壓保護(hù)、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級(jí)組成。

3 永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度

對(duì)一個(gè)永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它的兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，但是軸線上移動(dòng)的話，距離越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，具體的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化滿足如下公式：

式中：L——圓柱體高度；x——軸心線上距離。

從公式 （1） 中可以得出，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著距離增加而迅速降低，要觸發(fā)霍爾開關(guān)Bnp就必須要在一定范圍內(nèi)，不能太遠(yuǎn)，但是太近也會(huì)造成其他擋位的霍爾開發(fā)被觸發(fā)，或者在離開這個(gè)擋位時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不能低于BRP而關(guān)閉不了此霍爾開關(guān)。因此在霍爾開關(guān)與磁鐵的距離是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的一項(xiàng)。

4 擋位采集的設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

在換擋器中，擋位的信號(hào)是最重要的，將擋位信號(hào)的采集放在優(yōu)先級(jí)最高，只要信號(hào)發(fā)生變化，就直接進(jìn)行處理，以確保擋位的信息能及時(shí)傳遞進(jìn)來(lái)。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)將這些霍爾開關(guān)的信號(hào)接入單片機(jī)的中斷口，以便軟件能進(jìn)行中斷響應(yīng)。

電路板PCB設(shè)計(jì)一般依據(jù)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的模塊定下來(lái)之后，整個(gè)操作桿的移動(dòng)范圍就定下來(lái)了。每個(gè)擋位操作桿停的位置也定下來(lái)后，在電路板布置的時(shí)候，需要將每個(gè)霍爾開關(guān)與每個(gè)操作桿停止的位置一致，在垂直方向上，操作桿上磁鐵的位置和霍爾開關(guān)是重合的，這樣才能保證磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，觸發(fā)相應(yīng)的霍爾開關(guān)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

先在底層的程序中，將霍爾開關(guān)的接入口定義成中斷接口，在設(shè)計(jì)中斷類型的時(shí)候?qū)⑺鼈冊(cè)O(shè)置成下降沿觸發(fā)，即只要有霍爾開關(guān)是從關(guān)信號(hào)變成開信號(hào)就會(huì)觸發(fā)中斷程序，當(dāng)進(jìn)入中斷程序再進(jìn)行程序的判斷，具體的算法如圖2所示。

5 擋位丟失

5.1 故障現(xiàn)象

一款多擋位信號(hào)的手動(dòng)換擋器在產(chǎn)品驗(yàn)收的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)某個(gè)擋位信號(hào)無(wú)法讀取，即當(dāng)操作桿移動(dòng)至某個(gè)位置的時(shí)候，發(fā)出來(lái)的信號(hào)沒有變化。

圖2 擋位信號(hào)采集的軟件流程圖

5.2 故障排查

通過軟件排查時(shí)，發(fā)現(xiàn)程序雖然進(jìn)入了中斷程序但是進(jìn)入邏輯判斷語(yǔ)句后就直接跳出了，說(shuō)明程序在邏輯判斷時(shí)沒有找到相應(yīng)的程序入口，它就直接跳出了，致使數(shù)據(jù)沒有存入CAN緩存區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q擋器發(fā)出的信息也就不會(huì)變化。

用示波器對(duì)霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，換擋器操作桿移動(dòng)這個(gè)發(fā)出信號(hào)的位置再移回來(lái)，示波器抓到的波形如圖3所示，在示波器的綠色波形進(jìn)入下降沿的時(shí)候，表示這時(shí)該位置霍爾開關(guān)已經(jīng)開啟，但是此時(shí)的黃色波形還是低電平，說(shuō)明它對(duì)應(yīng)的霍爾開關(guān)還沒有關(guān)閉，此時(shí)采集進(jìn)來(lái)的霍爾開關(guān)信號(hào)有2個(gè)起作用，所以程序進(jìn)入中斷程序后找不到對(duì)應(yīng)的擋位信息，擋位信息不能進(jìn)入CAN的數(shù)據(jù)緩存器；相反后面黃色波形進(jìn)入下降沿的時(shí)候，綠色已經(jīng)變成高電平了，所以這時(shí)程序進(jìn)入中斷程序，采集到的信息就有對(duì)應(yīng)的擋位信息，即可將此信號(hào)存入CAN緩存器。

圖3 采集到的霍爾開關(guān)信號(hào)波形

5.3 問題產(chǎn)生的原因

由于此換擋器是一個(gè)多擋位的手動(dòng)換擋器，有1、2、3、4、5、6、7、8、N、R1、R2共11個(gè)擋位，而且操作桿的設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡也是在一個(gè)平面內(nèi)，造成了操作桿停留的位置也很多，對(duì)應(yīng)的霍爾開關(guān)在電路板的布置比較緊密；再加之有些器件存在個(gè)體性差異和器件安裝時(shí)存在著一定的安裝誤差，從而造成了某些霍爾開關(guān)之間的距離較近，當(dāng)操作桿上的磁鐵在某個(gè)擋位時(shí)，觸發(fā)了一個(gè)霍爾開啟，但另一個(gè)開關(guān)卻還沒有關(guān)閉的現(xiàn)象。

由于之前的程序設(shè)計(jì)時(shí)，為快速響應(yīng)擋位信息的采集，采用了中斷處理程序，在程序進(jìn)入中斷時(shí)，直接采集擋位信息，此時(shí)讀到的是2個(gè)霍爾開關(guān)同時(shí)開啟的信息，由于不能有2個(gè)擋位信息同時(shí)出現(xiàn)的工況，所以判斷這次讀取到的擋位信息為無(wú)效值。程序只有每觸發(fā)一次霍爾開關(guān)才會(huì)執(zhí)行一次中斷，當(dāng)這次中斷完畢后，沒有新的觸發(fā)信息，程序就不會(huì)再進(jìn)入中斷程序，即使后面出現(xiàn)了準(zhǔn)確的擋位信息，由于進(jìn)入不了中斷程序?qū)е潞竺娴膿跷恍畔o(wú)法讀取到。

6 解決方案

由于換擋器操作桿的運(yùn)動(dòng)都需要一定的時(shí)間，從一個(gè)擋位到下一個(gè)擋位一般在200~300ms，所以進(jìn)入中斷后，針對(duì)這個(gè)程序進(jìn)入讀取不到有效擋位信息時(shí)，需要等到操作桿真正進(jìn)入有效擋位信息，才能讀取擋位信息。于是在軟件的邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，又重新設(shè)計(jì)了一套軟件算法，即采用中斷程序和循環(huán)掃描兼顧的方案，軟件流程圖如圖4所示。

程序進(jìn)入中斷程序之后，就開始設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，判斷擋位已經(jīng)發(fā)生變化了，再以50ms的周期進(jìn)行程序掃描，來(lái)判斷當(dāng)前的擋位信息是否有效，當(dāng)信息為有效值，才進(jìn)行記錄，并將此最新的擋位信息發(fā)送出去，將之前設(shè)計(jì)的標(biāo)志位清零。這樣既能保證對(duì)擋位信息的快速響應(yīng)，也具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，能夠過濾掉一些無(wú)用的擋位信息。

7 方案驗(yàn)證

按照上述方案進(jìn)行整改后，之前有擋位丟失的換擋器已經(jīng)沒有再出現(xiàn)擋位丟失的現(xiàn)象，而且后續(xù)所有的換擋器也未再出現(xiàn)擋位丟失，說(shuō)明整改方案的算法是準(zhǔn)確的。