汽車轉速傳感器信號穩定性的研究和分析

趙建飛， 陳立國

(1. 蘇州大學 機電工程學院， 江蘇 蘇州 215131； 2. 蘇州力特奧維斯保險絲有限公司， 江蘇 蘇州 215021)

輸出信號的穩定性是汽車轉速傳感器設計中一個相當重要的特征， 此性能的好與差直接關系到傳感器的產品質量和使用可靠性. 在特定的工作環境下， 一個可靠的傳感器不僅需要具備符合測試標準的輸出信號， 而且還需要具備全工況范圍內穩定的信號輸出， 包括全溫度和全氣隙范圍. 在實際產品開發應用中， 傳感器的信號輸出不穩定時有發生， 導致嚴重的市場召回， 造成品牌質量降低以及眾多的時間和資源消耗. 如何有效解決傳感器輸出信號不穩定異常以及在產品設計中如何避免類似問題的發生成為汽車傳感器開發過程中一項很大的挑戰. 本文通過介紹轉速傳感器的系統結構， 工作原理和設計要求并利用磁路仿真分析傳感器在全氣隙工況下的磁場強度和磁場峰峰值的變化， 最終確定解決方案并完成傳感器的測試.

1 轉速傳感器系統結構和工作原理

1.1 轉速傳感器系統結構

圖 1 轉速傳感器示意圖Fig.1 Speed sensor diagram

如圖 1 所示[1]， 轉速傳感器系統包含目標齒輪、 傳感器本體以及電子控制單元， 傳感器與電子控制單元相連接， 并把目標齒輪的轉速信息實時傳送給控制單元， 用于系統信號處理及執行機構的控制. 轉速傳感器主要由感應磁場變化的霍爾芯片、 永磁體、 EMC電路和外殼體組成[2]. 不同的芯片選型， 永磁體的設計以及外齒輪的材料、 形狀都對傳感器輸出信號的穩定性有很大影響.

另外傳感器全溫度范圍內的信號漂移以及相對于目標輪的安裝尺寸公差(傳感器與目標輪之間的氣隙)也需要考慮在傳感器產品的設計過程中.

1.2 轉速傳感器工作原理

圖 2 轉速傳感器工作原理[5]Fig.2 Working principle for speed sensor[5]

霍爾轉速傳感器利用霍爾元件制成， 并利用霍爾效應原理進行工作. 一個金屬或半導體薄片置于磁場中， 磁場垂直于薄片， 當薄片通以電流Ie時， 在薄片的兩側面上就會產生一個微量的霍爾電壓UH. 如果改變磁場強度， 霍爾電壓的大小亦隨之改變， 當磁場消失時， 霍爾電壓變為零[3].

轉速傳感器在工作過程中， 當目標輪齒槽正對霍爾芯片時(如圖 2(a) 所示)， 通過霍爾芯片的磁通量較小， 芯片輸出高電平. 相反， 當目標輪齒頂正對霍爾芯片時(如圖 2(b) 所示)[4]， 通過霍爾芯片的磁通量較大， 此時芯片輸出低電平. 在目標輪連續轉動過程中， 霍爾芯片感應磁通量產生周期性高低變化， 通過芯片內部ASIC邏輯電路處理輸出周期性變化的矩形波.

傳感器輸出的矩形波可由ECU汽車電子控制單元采集也可利用示波器在試驗室中采集. 由轉速與頻率轉換公式式(1)即可計算出目標輪的實際轉速

(1)

式中：n為目標輪轉速；f為轉速傳感器輸出矩形波頻率；p為目標輪齒數.

2 轉速傳感器信號波動及設計要求

圖 3 是一款汽車自動變速箱轉速傳感器的輸出信號， 此信號利用示波器截取. 傳感器在130 ℃溫度下出現波形抖動， 當環境溫度超過135 ℃時， 矩形波占空比逐漸減小并最終輸出為零， 導致ECU系統無法正確采集目標輪轉速信號. 當溫度下降到130 ℃以下時， 傳感器輸出信號恢復正常. 經過確認， 傳感器安裝無異常， 且磁體材料選擇在-40 ℃～140 ℃范圍之內. 本文重點確認傳感器磁路設計與霍爾芯片工作參數要求是否匹配.

2.1 轉速傳感器設計要求

轉速傳感器用于檢測自動變速箱輸出軸的轉速， 工作溫度范圍為-40 ℃～140 ℃. 考慮到溫度升高磁場強度降低， 按經驗值， 取常溫下增加0.35 mm氣隙補償替代140 ℃高溫下磁體消磁變化量. 即常溫下傳感器的工作氣隙要求如圖 4 所示， 為1.3～3.5 mm.

圖 3 轉速傳感器輸出波形Fig.3 Speed sensor output waveform

圖 4 傳感器工作氣隙Fig.4 Air gap for speed sensor

2.2 芯片感應要求

圖 5 霍爾感應磁場強度曲線Fig.5 Hall sensing magnetic field intensity curve

傳感器芯片采用邁來芯MLX90217， 此芯片感應點為單一霍爾單元， 相較差分霍爾芯片， 此芯片輸出信號不過零點， 需要同時考慮霍爾感應磁場強度B和開關點的磁滯ΔB. 霍爾感應磁場強度B是傳感器感測到的磁場隨著目標輪轉動而變化的值.

如圖 5 所示[7]： 傳感器感應信號的峰峰值Bpeak-peak需要大于芯片開關點的磁滯ΔB才能確保信號正常輸出， 其中峰峰值Bpeak-peak為傳感器感測到的磁場強度最大值與最小值之差， 而ΔB為芯片開關操作點和釋放點之差.

由MLX90217芯片數據表可知， 傳感器感應信號的峰峰值Bpeak-peak需要大于10 mT且同時感應點的磁場強度B最大不超過500 mT[8], 否則芯片將出現飽和狀態無法正常工作.

3 磁路模擬及優化

圖 6 傳感器矢量磁勢分布曲線Fig.6 Speed sensor magnetic vector potential mapping

3.1 基于原始設計的磁場仿真

通過Comsol對原設計進行磁路模擬仿真， 確認全氣隙范圍內的輸出信號是否滿足芯片參數要求. 在Comsol軟件中通過設定物理場， 導入幾何模型， 設定邊界條件進行穩態下的求解計算. 圖 6 是傳感器矢量磁勢分布曲線.

通過模擬， 在不同的工作氣隙下傳感器感應點的磁場變化量如圖 7 所示. 傳感器在最大氣隙3.5 mm工況下， 感應點的峰峰值Bpeak-peak為6.94 mT, 低于芯片的正常工作閥值； 且傳感器在最小氣隙1.3 mm工況下感應點的磁場強度大于500 mT, 傳感器存在極限工況下的信號異常.

圖 7 不同氣隙下的磁場變化曲線Fig.7 Magnetic intensity curve at different air gaps

在不考慮0.35 mm高溫消磁補償氣隙的情形下， 傳感器與目標輪最大間隙為3.15 mm， 其磁場變化峰峰值Bpeak-peak的大小對于傳感器在高溫條件下工作狀況的評估具有參考意義. 通過最小二乘法非線性擬合求解在3.15mm氣隙下的峰峰值Bpeak-peak的大小. 依據最小二乘法原理， 其對應的正規方程組為[9]

(2)

已知數據如表 1 所示.

表 1 工作氣隙與Bpeak-peak值

根據圖形趨勢可取擬合函數為冪函數

y((x) )=kx-n,

(3)

式中：k,n為待定參數, 兩邊取對數得

lgy=lgk-nlgx.

(4)

令Y=lgy,X=lgx,A=lgk, 則式(4)變為

T=A-nX.

(5)

相應的正規方程組為

(6)

得表 2 數據：

表 2 正規方程組數據

即

(7)

由此解得

(8)

再求出k=10A=173.78,便得擬合曲線函數為

y(x)=173.78x-2.45.

(9)

當x=3.15 mm時，y(x)=10.45 mT.

通過最小二乘法非線性擬合曲線計算在常溫下氣隙為3.15 mm工況時， 傳感器峰峰值Bpeak-peak為10.45 mT, 略大于10 mT; 隨著溫度逐漸升高， 傳感器感應磁場峰峰值Bpeak-peak逐漸降低并最終小于10 mT. 這就很好地解釋了傳感器隨著環境溫度的升高， 輸出信號出現抖動異常， 并最終輸出為零.

3.2 設計優化

從原始設計方案的磁路模擬分析數據可知： 傳感器在最大極限工作間隙3.5 mm下(考慮高溫0.35 mm氣隙補償)磁場變化的峰峰值Bpeak-peak小于芯片最低工作峰峰值要求10 mT, 需要考慮在此工況下如何增大磁場峰峰值Bpeak-peak， 同時需要兼顧最小氣隙下的霍爾感應磁場強度B.

圖 8 軸向磁體簡圖Fig.8 Axial magnet

由于傳感器磁體形狀規則， 可以通過估算公式判斷傳感器的磁路設計改善方案. 傳感器的磁體采用圓柱形， 其對應的磁場感應點簡化圖形如圖 8 所示[10]， 估算公式為

(10)

式中：B/mT為感應點磁場強度；Br/mT為磁體剩磁；l/mm為磁體長度；D/mm為磁體直徑；d/mm為感應點到磁體表面距離.

通過式(10)可知： 增加磁體長度l能有效增加傳感器感應點的表磁， 但同時需考慮磁場強度是否超過芯片工作范圍. 原設計如圖 7 所示： 傳感器在1.3 mm工作氣隙下磁場強度已經超過500 mT, 傳感器處于工作飽和臨界點， 故優先考慮如何降低最小工作氣隙下的感應磁場強度.

在不改變磁體幾何尺寸和材料的情形下， 在芯片和磁體之間增加聚磁片， 用以屏蔽傳感器感應點的部分磁場， 利用Comsol軟件模擬傳感器感應點的磁場變化量， 如圖 9 所示. 在全工作氣隙范圍內霍爾轉速傳感器感應點的磁場強度較原始設計有明顯降低， 最小工作氣隙下磁場強度由514.67 mT降低至393.43 mT, 符合芯片感應磁場小于500 mT的要求， 但需確認其對峰峰值Bpeak-peak的影響.

進一步確認在不同工作氣隙下的傳感器磁感應曲線峰峰值Bpeak-peak的大小， 如圖 10 所示， 增加聚磁片后對磁場變化峰峰值的影響不大， 特別是最大氣隙3.5 mm工況下基本無影響.

通過增加磁體長度提高傳感器感應點位置的磁場變化峰峰值Bpeak-peak. 將磁體長度從6.35 mm分別提高到8 mm和10 mm, 并增加聚磁片確認在極限氣隙下的感應磁場強度B和峰峰值Bpeak-peak的大小. 所得模擬數據如表 3 所示. 通過數據對比， 磁體長度增加到10 mm時能夠同時滿足芯片對感應磁場強度和峰峰值的要求(磁場強度<500 mT, 峰峰值>10 mT).

表 3 不同磁體長度下的B和Bpeak-peak

圖 9 增加聚磁片后的磁場變化曲線Fig.9 Magnet intensity changed curve after adding pole piece

圖 10 增加聚磁片后的峰峰值Bpeak-peak比較Fig.10 Bpeak-peak comparison after adding pole piece

4 傳感器信號測試

傳感器信號測試是確定最終改善產品是否能夠正常工作的唯一方式， 需要在溫度箱中確認其從低溫到高溫的實際工況. 外接示波器和電子電路， 利用伺服電機驅動傳感器目標輪確認傳感器信號輸出是否異常. 傳感器電源電壓采用恒流源模擬ECU實際12 V供電.

通過對轉速傳感器的磁路設計進行模擬分析并優化， 傳感器磁體表面設計聚磁片并增加磁體長度尺寸到10 mm作為最終傳感器輸出信號不穩定的改善方案. 傳感器測試安裝如圖 11 所示， 通過調整測試用具的氣隙和控制環境溫度箱中的溫度， 記錄傳感器在極限工作氣隙和環境溫度下的輸出信號狀況.

圖 11 傳感器測試設備及安裝Fig.11 Speed sensor test fixture and assembly

在極限工作氣隙1.3 mm和3.5 mm條件下， 經過測試確認傳感器在-40 ℃～140 ℃全溫度范圍內輸出信號波形穩定， 未發生波動異常.

5 結 論

通過對汽車轉速傳感器原始設計數據模擬分析， 并運用最小二乘法非線性擬合曲線計算， 確認傳感器在高溫條件下信號產生不穩定的原因； 提出了通過設計聚磁片同時增加磁體長度來同時滿足傳感器在極限工作氣隙下感應點對磁場強度和峰峰值的要求； 最終通過對改善產品的測試確認改善方案的有效性. 文章中對于轉速傳感器輸出信號的磁場模擬和信號波動的改善方法亦對其它同系列產品設計具有重要的參考意義.