采用圓柱形永磁體的汽車電子排擋的開發*

周曉翠，孫 煒，陳彩霞

(湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082)

前言

目前，汽車電子排擋主要是在擋桿下放置一塊永磁體，撥動擋桿時，永磁體隨著擋桿一起運動，電路板上的霍爾傳感器感應不同位姿的永磁體在空間中產生的磁感應強度，從而產生不同的輸出以實現換擋功能，因此研究永磁體在空間中的磁場分布對汽車電子排擋的設計起關鍵作用。本文中針對最常用的圓柱形永磁體進行分析，利用其原理實現汽車電子排擋設計的目的。

永磁體的磁場計算有多種方法，主要有等效磁荷法、磁偶極子模型法、Maxwell應力法、等效電流模型和有限元分析方法等，但其計算均非常復雜。文獻［1］中介紹了等效磁荷模型的有限差分法，使用這種方法計算磁感應強度時等效電源的個數和位置只能憑經驗確定，具有一定的盲目性。文獻［2］中給出了磁偶極子模型及其計算方法，其缺點是測試點到磁體的距離必須小于磁體的半徑，因此該方法只能用于近場的求解。文獻［3］中利用Maxwell應力法分析計算了永磁磁力軸承的磁感應強度，該法只適用于大型永磁磁力的磁場分布，具有一定的局限性。等效電流模型是根據Maxwell分析方法推導出來的解析式［4］，在目前使用的永磁體形狀中，只有長方體能使用該解析式解得磁體空間磁場分布。有限元法是分析電磁場比較常用的一種數值方法［5］，它能夠計算不同材料和形狀磁體的磁感應強度，但其計算量很大［6］，須用專用的磁場仿真軟件來分析，如ANSYS或ANSOFT軟件。

本文中對目前汽車電子排擋系統中最常用的圓柱形永磁體［7］建立了數學模型，采用數值方法計算磁體在空間任意一點的磁感應強度，為電子排擋的電路設計提供理論依據，并設計了相關輔助仿真軟件，能夠快速方便地根據磁體的位姿得到電路板上的觸發區域，從而確定傳感器在電路板上的分布。

1 圓柱形永磁磁場的計算

在庫侖模型［8］的基礎上，采用數值法對圓柱形軸向充磁永磁體的磁感應強度進行分析計算，以圓柱下表面中心為圓心建立如圖1所示的圓柱坐標系，設圓柱的半徑為R，高度為h，Z軸是此坐標系的對稱軸。

一般情況下，對于沿磁化方向均勻充磁的磁體來說，體電荷密度為零［1］，只存在面電荷密度，即

式中:ρm為磁體的體電荷密度;μ0為真空中的磁導率，μ0=4π ×10－7H/m;▽為旋度符號，Br為永磁體的剩余磁化強度。設磁體上下表面的面電荷密度分別為+σ*和－σ*，在空間中任意一點 M(r，z)的磁場強度H(r，z)由上下兩個表面分別在該點產生的磁場強度疊加，即

其中:

P1+和P1－分別為位于兩個表面上的點，兩個點與對稱軸之間的距離r相等，兩點的高度差即為磁體高度，設分別為圖1所示圓柱坐標系中的單位向量，則和分別由下式給出:

因此，上下兩個表面分別在M點產生的磁場強度可由如下解析式得到:

利用上式計算出空間中任意一點的磁場強度H后，可根據磁感應強度B與磁場強度H的關系求出對應的磁感應強度為

2 磁場模型在電子排擋電路輔助設計中的應用

開關型霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，它對外加磁場的大小和方向都很敏感，在給傳感器兩端加上恒定的電流或電壓時，其輸出數值由磁感應強度的大小來確定，當作用其上的磁感應強度大于其動作點Bop時，傳感器輸出0，而當磁感應強度小于其釋放點Brp時，傳感器輸出1。

常用電子排擋的基本原理如圖2所示，當駕駛員撥動擋桿時，永磁體隨擋桿而運動，電路板上的霍爾傳感器則感應該磁場的變化，根據多個傳感器的輸出組合即可判斷擋位的選擇。

由于選擇的擋位不同，磁體在電路板上所觸發的區域位置也不同，因此可以利用上節所述永磁體磁感應強度的計算方法，結合開關型霍爾傳感器的動作點參數，建立相應的圓柱形永磁體觸發區域模型。利用MATLAB編程設計了相關的輔助仿真軟件，界面如圖3所示，根據傳感器的動作點可計算出不同位姿圓柱形永磁體在電路板上的觸發區域，并能夠在三維坐標系中畫出該區域，電子排擋設計人員可通過仿真軟件查看觸發區域，以此來取代傳統的實物測試方法，該軟件能夠為設計人員在確定霍爾傳感器的布局時提供決策參考，從而大大減少設計人員的工作量。

該軟件能根據不同尺寸的圓柱形磁體和不同型號的傳感器來分析觸發區域的位置，對于不同型號的傳感器，只要改變其動作點就可得到相應的觸發區域，其基本功能如下:

(1)磁體參數設置 包括面電荷密度、圓柱形永磁體的高度和半徑，以及磁體所用材料相對磁導率的設置;

(2)磁體位置設置 根據磁體下表面中心相對于電路板的坐標、旋轉角度和旋轉中心點距離電路板的高度來確定磁體的空間位姿;

(3)傳感器動作點設置 根據不同型號的傳感器設置相應的動作點，對于相同的磁體，若傳感器的動作點增大，則相應的觸發區域會縮小，反之區域擴大;

(4)畫磁體 根據用戶設定的磁體形狀參數及磁體顏色在三維繪圖區中形象地畫出空間中不同位姿的圓柱形磁體;

(5)觸發區域分析 根據不同位姿的磁體和傳感器參數在三維坐標系中畫出相應的觸發區域;

(6)查看觸發區域 將觸發區域顯示在二維坐標系中，使設計人員能夠快捷直觀地根據分析結果設計傳感器的布局。

3 實驗驗證

3.1 集手/自一體的電子排擋

首先針對集手/自一體的汽車電子排擋系統，運用所建立的磁場分析模型和仿真軟件進行電路設計。該款汽車排擋布局如圖4所示，排擋共包括6個擋位，分別為空擋、手/自動切換擋、升擋、降擋、前進擋和倒擋，硬件電路板除去左邊的接口部分，尺寸為60mm×55mm。永磁體由最常用的稀土永磁材料銣鐵硼制成，該材料的性能參數為:σ*=1.3T，μr=1.15H。圓柱形磁體的半徑為3mm，高度為8mm，當擋桿位于空擋(即擋桿所在平面與電路板所在平面相互垂直)時，磁體的下表面與電路板所在平面的垂直距離為3.95mm，如圖5所示。

由于該系統采用的永磁體體積小，產生的磁場相對較弱，而前進擋和倒擋在機械上與其它擋位之間的距離較遠，為使在換擋過程中產生的信號連續，采用9個霍爾傳感器排列成“土”字型的方式來確定汽車排擋的6個擋位，其中傳感器7、8和9在電路板上處于半穩態位置，用于輸出連續信號并防止誤觸發。

此外，磁體旋轉時，還須確定一個旋轉中心，該排擋的UG模具模型如圖6所示，從圖中可看出磁體的旋轉中心至電路板的距離為64mm，根據擋桿旋轉的機械特性，磁體在各個擋位的空間位置可通過一系列坐標變換確定。

采用PIC16F631型單片機為核心控制單元設計硬件電路，并選擇Allegro公司生產的A1121開關型霍爾傳感器作為磁場檢測的器件。該傳感器靈敏度高，且體積小，非常適合用于小體積電路板的集成，A1121傳感器的動作點為95G，釋放點為75G，其尺寸為2.98mm×1.92mm×0.9mm。利用磁場區域分析仿真軟件，并根據磁體在6個擋位上的空間位姿分別畫出相應地觸發區域，以此來確定并優化霍爾傳感器在電路板上的布局，仿真界面如圖7所示。

實驗表明，只要在不同的顏色區域相應地放置一個霍爾傳感器即能保證在每個擋位下都會有傳感器被觸發但又不存在兩個傳感器均被觸發的錯誤狀態。該軟件可通過“查看觸發區域”按鈕來精確直觀地查看各擋位觸發區域的二維圖，本文中仿真的6個擋位區域二維圖如圖8所示。

根據圖8仿真結果，設計人員只要保證在一個區域內相應地放置一個霍爾傳感器即可滿足電子排擋的設計要求，因此，設計傳感器在電路板上的布局如圖9所示。

當駕駛員撥動擋桿時，9個傳感器的觸發狀態信號同時輸入到單片機進行處理并輸出4位邏輯值，以此識別駕駛員選擇的擋位，表1示出不同擋位傳感器的輸出邏輯，用于編程實現換擋功能。

表1 集手/自一體電子排擋上9個霍爾傳感器的輸出邏輯

根據霍爾傳感器在電路板上的相對位置和表1所示的傳感器邏輯輸出值，再結合汽車電子排擋的換擋原理，設計了相關硬件電路并實現以PIC16F631為核心控制單元的控制電路，圖10為制作的硬件電路實物圖。經過測試，當磁體分別處于6個擋位時，只對應一個霍爾傳感器被觸發，且不存在傳感器的誤觸發現象，該汽車電子排擋系統完全符合設計要求。

3.2 全自動汽車電子排擋

所討論的全自動汽車電子排擋只有3個擋位，分別為R(倒擋)、N(空擋)和D(前進擋)，且3個擋位于一條直線上，該款汽車采用的永磁體是硬磁材料AlNiCo，該材料的面電荷密度為0.88T，相對磁導率為2H，而磁體高度和半徑分別為3和2mm，霍爾傳感器使用的是Melexis公司生產的US5782，該傳感器工作電壓范圍大，且靈敏度較高，其動作點為120G，釋放點為70G，當擋桿位于空擋時，磁體下表面與傳感器之間的距離為5mm，而磁體的旋轉中心距離電路板的距離為60mm，其仿真結果見圖11。

因此，能根據上述仿真軟件的結果得到相應傳感器之間的距離，該排擋只需要3個霍爾傳感器即可，從圖11可知，只要保證相鄰兩個傳感器之間的距離大于8mm即能滿足傳感器觸發的要求，本文中設計了以PIC16F677為核心控制單元的全自動汽車電子排擋，硬件實物圖如圖12所示。實驗表明，當傳感器之間的距離為8mm時，不會產生兩個傳感器同時被觸發的誤觸發現象，完全滿足設計需求。

4 結論

在庫侖模型的基礎上，采用數值法計算永磁體在空間中產生的磁感應強度，設計了相關輔助仿真軟件，該軟件能快速直觀地畫出不同位姿的永磁體在電路板上的觸發區域，并根據仿真軟件的結果分別設計了兩款汽車電子排擋，根據兩款汽車電子排擋系統電路的實際設計，驗證了所建立的圓柱形磁體模型的正確性。該仿真軟件能有效地分析磁體的觸發區域，從而代替傳統的實物測量方法，大大減輕電子排擋設計人員的工作量，是設計人員理想的實用輔助開發工具。

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