霍爾式角位移傳感器電磁兼容設(shè)計(jì)

劉榮先，李凡，秦永法

（1.揚(yáng)州大學(xué)汽車工程實(shí)驗(yàn)總廠，江蘇揚(yáng)州225009；2.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；3.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

電磁兼容（electro－magnetic compatibility，EMC），主要指電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的各種設(shè)備都能正常工作，又互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài).它包含2層意思：第一是電子設(shè)備對外發(fā)射的電磁干擾不能超過一定的限值；第二是電子設(shè)備要具有抵抗外界電磁干擾的能力［1－4］.

霍爾式角位移傳感器一般都工作在小信號狀態(tài)［5］，在汽車這個(gè)充滿各種電磁的環(huán)境中，電磁干擾對它們的工作狀態(tài)的影響有可能是災(zāi)難性的.各種資料表明現(xiàn)代汽車的很多間斷性失靈可能是由零星的電磁干擾引起的［6－7］.為了使霍爾式角位移傳感器在汽車中得到更廣泛的應(yīng)用，很多科研工作者進(jìn)行了電磁兼容方面的研究，力求使傳感器具有良好的電磁兼容性，但兼顧了電磁兼容性，成本又有所上升.筆者進(jìn)行研究分析，通過大量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出新穎的抗干擾電路和具有屏蔽效果的磁路，成本低、可靠性高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值.

1 傳感器的電磁干擾分析

電磁干擾（electromagnetic interference，EMI），有2種方式：一種是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)，稱為傳導(dǎo)干擾；另一種是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)，稱為輻射干擾.很多時(shí)候，這2種干擾都是同時(shí)存在的，比如在汽車這個(gè)環(huán)境中，既有線路方面的傳導(dǎo)干擾，也有各種設(shè)備器件的輻射干擾.形成電磁干擾必須具有3個(gè)要素：干擾源、耦合通道、敏感源［8］，如圖1所示.

圖1 干擾3要素Fig.1 Three elements of the interference

針對上述的電磁干擾3要素，只要消除或抑制這3個(gè)要素中的1個(gè)，隨之就會(huì)消除或抑制電磁干擾問題.因此，圍繞3要素展開電磁兼容性研究，通過研究每個(gè)要素的特點(diǎn)，找出消除或抑制每個(gè)要素的方法，從而解決電子設(shè)備的電磁兼容性問題.在很多實(shí)際應(yīng)用中，更多的是在敏感源即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，考慮如何解決電磁干擾這個(gè)問題，本文的霍爾式角位移傳感器的設(shè)計(jì)，就是從其電路和磁路設(shè)計(jì)入手解決相關(guān)電磁兼容問題.

2 傳感器的電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

霍爾式角位移傳感器的主要電氣技術(shù)參數(shù)為：工作電壓（5±0.1）V，工作電流≤20mA，耐壓±15V，5min，輸出電壓0.5～4.5V.

從以上主要電氣技術(shù)參數(shù)可看出，霍爾式角位移傳感器是直流小信號工作器件，其電磁兼容的設(shè)計(jì)主要放在抗外部干擾上，即保證傳感器能夠抵抗來自外部的干擾能正常工作和承受外部電壓的沖擊而不被損壞，但是由于霍爾式角位移傳感器內(nèi)部有2片磁鋼，對外會(huì)產(chǎn)生磁輻射干擾，所以也要采取必要的措施防止對外界產(chǎn)生干擾.

霍爾式角位移傳感器電路設(shè)計(jì)見圖2.元件的工作電壓為5V，但編程電壓為12V，以及TVS管的離散性，取UWM≈12V÷0.85≈14V.

圖2 電路原理Fig.2 Circuit schematics

最小擊穿電壓UBR＝UWM／KBR（其中KBR＝0.8～0.9，取0.85）所以UBR＝14V／0.85≈16.5V.

TVS管的最大箝位電壓UC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓，即UC＝KC×UBR＝1.3×16.5＝21.45V（其中KC＝1.3）.

在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS管的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率.在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流.

工作溫度：－40～125℃.

根據(jù)要求，TVS管可選SMAJ 15A.

此電路器件較少，能起到較好的抗干擾作用，可保證該霍爾式角位移傳感器能夠在一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境中更好地正常工作.

2.2 磁路屏蔽設(shè)計(jì)

霍爾式角位移傳感器的磁路設(shè)計(jì)既要滿足霍爾元件對磁場強(qiáng)度的要求，又要滿足電磁兼容的要求.為了保證磁場能夠均勻地作用于霍爾元件的敏感區(qū)，設(shè)計(jì)了一屏蔽鐵，2片磁鋼安裝在屏蔽鐵內(nèi)側(cè)，對面放置，磁極相反，霍爾元件安裝在N－S磁場的中心位置.具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 帶屏蔽鐵的磁路結(jié)構(gòu)Fig.3 Magnetic structure with shielded iron

為了驗(yàn)證屏蔽鐵對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，特地做了如下測試：利用南京一公司生產(chǎn)的WT－3A型數(shù)字式毫特斯拉計(jì)對磁鋼內(nèi)測和屏蔽鐵外側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量，測量結(jié)果為：1）在屏蔽鐵外側(cè)測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度接近于0；2）屏蔽鐵內(nèi)側(cè)的磁鋼表面磁感應(yīng)強(qiáng)度比沒有加屏蔽鐵的磁鋼明顯增強(qiáng)，從134mT增加到248mT，幾乎增大了2倍.該測試結(jié)果說明了屏蔽鐵不僅對磁場有屏蔽作用，而且有很好的聚磁效果，當(dāng)內(nèi)部有霍爾元件時(shí)，可使磁力線集中作用到霍爾元件上.

為了更好地起到屏蔽效果，在傳感器殼體上再加上厚0.8mm左右的軟鐵板，注塑在殼體中間（如圖4），既不影響美觀，又起到較好的屏蔽作用.

3 傳感器屏蔽性能檢驗(yàn)

當(dāng)傳感器運(yùn)用在汽車等電磁環(huán)境中時(shí)，不僅要求傳感器能夠不受外界環(huán)境的干擾而正常工作，而且也要其本身能夠減少對外界的干擾.為此實(shí)驗(yàn)室選用了6個(gè)傳感器進(jìn)行屏蔽檢驗(yàn)，將6個(gè)傳感器分別編號1?！?＃，其中1＃～3＃為不帶屏蔽鐵的樣品，4?！?＃為帶屏蔽鐵的樣品.做了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，過程如下：

實(shí)驗(yàn)條件：環(huán)境溫度為24℃；相對濕度為40%RH，電源輸入電壓為（5±0.1）V，測量電壓精確到1mV.

實(shí)驗(yàn)1目的：當(dāng)無屏蔽鐵和有屏蔽鐵的傳感器有外界弱磁場干擾時(shí)，對其屏蔽性能的效果進(jìn)行檢驗(yàn)（圖5）.方法：為實(shí)驗(yàn)外界弱磁場對傳感器的輸出電壓影響，使傳感器的初始輸出電壓為1.000V，使用一把磁感應(yīng)強(qiáng)度為10mT螺絲刀，在傳感器旁邊10mm內(nèi)移動(dòng)，觀察傳感器輸出電壓的變化.

實(shí)驗(yàn)2目的：檢驗(yàn)無屏蔽鐵和有屏蔽鐵的傳感器磁場對外部的影響（圖6）.方法：使用一個(gè)毫特斯拉測量計(jì)分別對已編號的6個(gè)傳感器殼體表面進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度測量，以檢驗(yàn)其屏蔽性能，并記錄實(shí)驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù).

圖4 霍爾式角位移傳感器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the hall angular displacement sensor

圖5 外部磁場對傳感器的干擾對比Fig.5 Interference comparison of the external magnetic field of the sensors

圖6 傳感器對外輻射干擾對比Fig.6 Contrast of outward interference of sensors magnetic field

以上2次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1.

表1 傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of the sensors

表1的結(jié)果表明，如果不使用屏蔽措施，在弱磁場的干擾下，傳感器輸出電壓會(huì)出現(xiàn)0～100mV級的變化，無法使用；而加上了屏蔽鐵等屏蔽措施，同樣條件下，外界的磁場對輸出電壓幾乎不產(chǎn)生影響，完全能正常使用.傳感器若不加屏蔽措施，可在傳感器外殼上測量到40mT左右的磁感應(yīng)強(qiáng)度；而加上了屏蔽鐵等的屏蔽措施，同樣條件下，則測量不到磁感應(yīng)強(qiáng)度.2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明加了屏蔽措施的角位移傳感器能夠達(dá)到很好的電磁兼容效果.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器在電磁兼容方面的性能，選取2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的合格品送到專業(yè)從事汽車電器檢測業(yè)務(wù)的第三方檢測機(jī)構(gòu)——長沙汽車電器檢測中心進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2.

表2 檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results

從表2可看出按照ISO 7637—2：2004和GB／T 17619—1998中9.4條TEM小室方法對該傳感器的抗干擾效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的霍爾式角位移傳感器采用新穎的電路結(jié)構(gòu)和磁路屏蔽結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和長沙汽車電器檢測中心檢驗(yàn)后，該傳感器完全符合EMC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并獲得國家專利，已應(yīng)用于汽車電子油門踏板、節(jié)氣門位置測量等方面，質(zhì)量穩(wěn)定可靠.在現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，隨著EMC變得越來越重要，該霍爾式角位移傳感器具有很大的應(yīng)用價(jià)值.

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