電流型霍爾轉速傳感器的應用設計及診斷

李應優 楊燕 江銘 王定海

摘 要：本文介紹了應用于汽車CVT變速器的電流型霍爾傳感器的測量系統設計及其診斷方法。該方案以單片機MCP5744為控制核心，采集電流型霍爾轉速傳感器TLE-4955的脈沖信號，通過捕獲識別實現轉速計算以及ADC實現故障診斷。

關鍵詞：霍爾傳感器 電流 信號 系統

1 系統需求

這套測量系統應能實現被測對象的電流信號采集、計算、診斷及傳感器電源強制復位。

具體功能需求如下：

2 系統架構設計

這套測量系統由電源、主控芯片、電源管理系統、霍爾傳感器、被測信號齒組成，見圖1。

其中，

Battery：電源，即汽車用電池，12V系統;

BMS：電源管理系統;

MCU：MPC5744，NXP;

Sensor：電流型Hall傳感器TLE4955;

PreProcessor：信號預處理。

2.1 電源管理系統：

MCU與電源管理系統通過SPI通訊進行電源的管理監控，可實現3.3V、5V、9V的電源輸出、關閉及復位。

2.2 霍爾傳感器：

采用9V電源，當符合設計規范的信號齒在傳感器一定間距，對槽、對齒時，傳感器分別輸出電流7mA、14mA。

2.3 信號預處理器：

MCU的ADC功能是對輸入模擬電壓進行識別，因此輸出電流經過預處理器的100ohm分壓電阻R1，對應產生0.7V、1.4V的信號電壓;但是這個信號電壓并不能直接被MCU的Capture功能識別，因此須加一個電壓比較器。

2.4 主控芯片：

這里介紹的主控芯片是NXP的MPC5744，雙核CPU，控制頻率達200MHz。

3 Hall電流型芯片介紹

英飛凌的TLE4955，是一款差分霍爾芯片，可以探測齒輪和磁敏編碼器的運動。若用于探測齒輪（例如發動機飛輪信號齒、液力變矩器渦輪信號齒），需將永磁固定在芯片背面以建立磁場，傳感器輸出特定的電流PWM。

在電路設計中，對應的傳感器信號電壓為

V=i*R

其中，

i是信號電流;

R是負載電阻。

當傳感器正常運行時，輸出（7±1）mA或（14±2）mA的電流，超出這個特定范圍則判定為傳感器不正常。考慮到硬件存在一定的誤差，設計中可將傳感器合理電流范圍設定為5mA～17mA，若負載電阻為100ohm，那么傳感器信號電壓合理范圍設定為0.5V～1.7V。

該芯片的參數如下：

4 控制邏輯

軟件邏輯包括傳感器信號采集、信號診斷、電源復位、方向識別以及轉速計算，參見圖3。

4.1 信號采集：

通過MCU的ADC功能從傳感器信號腳采集電壓信號，計算得到傳感器信號電壓V_Snsr;

4.2 信號電壓范圍診斷：

傳感器信號電壓V_Snsr是否處于合理范圍內，綜合考慮誤差情況，若V_Snsr>1.7V，報出故障碼=電壓過高;若V_Snsr<0.5V，報出故障碼=電壓過低。

4.3 傳感器電源復位：

車輛行進過程中，但識別到一定的累計時間內，捕獲不到任何信號脈沖，那么MCU軟件邏輯上通過SPI向電源管理系統發送傳感器電源復位指令，若仍然無上升沿的捕獲，那么報出故障碼傳感器失效;若通過此次電源復位，傳感器信號恢復正常，那么故障碼清零。在冬季尤其是在北方，車輛長時間停泊后第一次啟動往往先經過一個暖機過程，環境溫度短時間內升溫較大，例如CVT的主、從動輪轉速傳感器一直沒有信號齒轉動，也就沒有脈沖信號，而某些霍爾傳感器往往會出現所謂的Block現象，也就是在一定時間內一直無脈沖信號且傳感器環境溫度存在較大躍遷，此后即使信號再轉動，傳感器也不輸出脈沖信號。傳感器電源復位的條件是傳感器當前無輸出，但是參考的對比信號正常運行，例如在CVT應用中，如果已檢測到暖機后車輛已行進，達到一定的車速，如果從動輪、主動輪轉速傳感器仍沒有信號輸出，此時應對傳感器電源進行復位。

這個電源復位功能可以從應用層軟件邏輯上解決這個霍爾傳感器Block問題。

4.4 轉速方向識別：

當傳感器信號電壓V_Snsr處于合理范圍內，而且沒有Block問題，捕獲到的信號上升沿，MCU開始計時，再捕獲到信號下降沿，則MCU停止計時，記錄為T，若75us≤T≤105us，則轉速方向為逆時針;若35us≤T≤55us，則轉速方向為順時針。

4.5 轉速計算：

當傳感器信號電壓V_Snsr處于合理范圍內，而且沒有Block問題，傳感器識別的轉速=單位時間內傳感器信號電壓上升沿捕獲數量÷信號齒齒數，同時故障碼復位。

5 驗證

測試步驟及結論（測試數據見圖4）：

5.1 電壓范圍診斷：通過外圍模擬電路使傳感器信號電壓超出合理范圍（0.5～1.7V），設置V_Snsr≈0.4V，故障碼為電壓過低（DFC_uLow=1）;若V_Snsr≈1.7V，故障碼為電壓過高（DFC_uHigh=1），符合預期。

5.2 方向識別：信號齒順時針定速轉動，Direction_CW=1;后逆時針定速轉動，Direction_CCW=1，符合預期。

5.3 電源復位：以CVT從動輪信號齒為被測對象，因為從動輪與驅動輪之間是硬連接，若達到一定車速，但傳感器仍始終處于≈0.7V，無脈沖信號輸出，控制邏輯將傳感器電源重新復位，此時傳感器脈沖信號恢復正常，符合預期。

5.4 轉速計算：通過已校準的變速器三電機臺架設定驅動輪轉速，從動輪400rpm→6000rpm，將臺架實際轉速與系統計算的轉速作對比，整個過程的轉速誤差除了轉速突變瞬間>0.5%，其余皆≤0.5%，符合預期。

6 總結

通過各項測試，故障診斷、電源復位、方向識別以及轉速計算等功能符合設計預期，滿足系統需求，對傳感器的信號進行了各種故障診斷設計以及增加電源復位的軟件邏輯，特別是電源復位功能，僅需做軟件優化，不需升級傳感器，就能有效地減少轉速傳感器在某些工況下不輸出信號導致變速器售后誤報故障的情況。

參考資料：

[1]《自動變速器電控系統及其應用軟件開發技術》，徐向陽.

[2]《TLE4955C-E2 datasheet》，Infineon.

[3]《MPC5744P ?Reference Manual》，NXP.