基于3D 霍爾傳感器的汽車電子水閥控制器設計

劉文慶 ，馮志堅 ，徐勤佳 ，耿勝民 ，沙 覃 ，王林榮

（揚州華光新材料股份有限公司，江蘇 揚州 225002）

0 引言

當前，新能源汽車正在朝著智能化、集成化、輕量化的方向快速發展，對各子系統也提出了更高的要求。汽車熱管理系統主要包括電池熱管理、電機電控系統熱管理以及乘員艙熱管理，是整車的能量調節中樞，對整車的安全性、節能性以及舒適性都起到了決定性作用。近年來，隨著特斯拉率先推出熱管理集成模塊，各大主機廠及零部件廠家對熱管理集成模塊開展了大量的研究[1-5]。多通閥作為熱管理集成模塊的重要部件，其性能的優劣直接決定了整個模塊的性能。因此，研究一種高精度、高可靠性的多通閥控制系統尤為重要。

為了實現水閥的精確控制，需要在水閥執行器上安裝角度位置傳感器，以檢測水閥的實時位置。目前廣泛應用的主要有兩種類型的傳感器：相對式和絕對式位置傳感器。相對式位置傳感器通過霍爾開關監測水閥的運動步數以推算出水閥的實時角度，其優點是電路簡單、成本低，缺點是需要上電自學習。絕對式位置傳感器可實時反饋水閥的當前位置，不需要自學習。常用的絕對位置傳感器有電位器和碳膜電阻兩種[6-7]，這兩種傳感器都是接觸式傳感器，它們共同的缺點是精度低、可靠性差。為了解決接觸式傳感器精度低、可靠性差的問題，本文提出了一種基于3D霍爾傳感器的水閥控制器，該傳感器是一種非接觸式傳感器，具有可靠性高、抗干擾能力強以及精度高的優點，這對水閥控制系統研究具有重要意義[8-10]。利用該傳感器的水閥可實現360°位置檢測，且傳感器和水閥通過磁感應信號進行位置檢測，無物理接觸，可靠性高，另外，其14 位的分辨率可將角度精度控制在1°以內。

1 系統架構設計

水閥控制系統主要由上下蓋、直流電機、PCBA、齒輪系統及感應磁鐵組成，如圖1 所示。3D 霍爾傳感器安裝在PCBA 上，在其正上方的輸出齒輪中嵌入一個磁鐵，電機驅動次輪系統旋轉，3D 霍爾傳感器根據次輪旋轉感應出不同的角度信息給微處理器，微處理器根據整車發送的角度指令，控制電機旋轉，實現精確控制。

圖1 水閥執行器結構爆炸圖

2 硬件設計

整個系統由4 部分組成，分別是電源模塊、微處理器模塊、傳感器模塊、LIN 驅動模塊。系統硬件框圖如圖2 所示，其中LIN 通信端口用于接收整車主節點發送的位置請求信號以及執行器狀態反饋，SPI 模塊用于讀取霍爾傳感器的角度位置信號。

圖2 系統硬件組成

2.1 電源模塊

MLX81332 內置電壓調節器，可直接接12 V 電源供電，外部主要是防反接、穩壓及濾波電路設計，電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

防反接保護主要防止電源正負極反接對硬件造成損壞，本系統采用二極管的單向導電性設計防反接電路。控制器采用直流供電，為避免整車浪涌電壓對硬件造成損壞，需要設計電流吸收電路。本文采用TVS 管與被保護線路并聯的方式實現。TVS 管有相當高的浪涌吸收能力，可在亞納秒級實現快速響應。當電源兩端接受瞬間的高電壓沖擊時，TVS 管將發生雪崩擊穿，瞬間由高阻抗變為低阻抗狀態，以吸收一個瞬間大電流，使電源兩端電壓箝制在預定的數值上，從而保護硬件免受瞬態高能量的沖擊。并且當瞬時脈沖結束以后，TVS 管再自動恢復至高阻狀態，整個回路又回到正常電壓狀態。

2.2 微處理器模塊

MLX81332 是邁來芯最新推出的一款基于LIN的車規級電機驅動芯片，用于10 W 以內的小型電機驅動，可驅動有刷、無刷、步進等多種類型的電機。該芯片集成了豐富的片內資源，包括4 個FET 半橋驅動器、1 個有自動尋址功能的LIN 驅動器、穩壓器（可直接接12 V 系統）。同時內部集成了過溫、過壓欠壓、過流保護功能。而且該芯片專為安全應用設計，符合ASIL-B 級（ISO 26262）標準。本系統主要使用到了微處理器的電源模塊、SPI 模塊、LIN 模塊以及電機驅動模塊，微處理器電路如圖4所示。

圖4 微處理器電路

2.3 傳感器模塊

MLX90363 是一款非接觸式3D 霍爾傳感器，可在單點感應三個方向的磁通量。芯片內部集成原始信號處理模塊、DSP 微處理器模塊和SPI 輸出模塊。將感應到的單個方向的磁通量進行AD 轉換，通過DSP 進行數據處理，然后再通過SPI 發出。該系統中MLX90363 充當SPI 的從節點，單片機為主節點。其主要通過4 根線與主機相連：NSS（片選信號）、SCLK（時鐘線）、MOSI、MISO。最后SPI 將0°～360°轉換為0～16 383 的5 位數字傳遞給主機。MLX81332 內置的電源模塊可為MLX90363 提供5 V 電源，SPI 總線與微處理器的SPI 模塊進行連接，實現數據交換，傳感器電路如圖5所示。

圖5 傳感器電路

2.4 LIN通信模塊

LIN接口電路如圖6所示，MLX81332采用全集成的LIN從機設計方法，內部集成了LIN驅動電路，需要在總線接口處設計ESD防護電路，以保持系統的魯棒性。本設計采用雙向TVS管來抑制電磁干擾，耐壓值為27 V，最大電流200 mA，最大工作溫度150 ℃。

圖6 LIN接口電路

3 軟件設計及功能測試

水閥執行器軟件主要通過LIN總線讀取主節點發送的位置請求信號，通過SPI 模塊讀取位置傳感器當前的角度值與目標值并進行比較，控制電機的正反轉以實現角度精確控制，系統軟件控制流程如圖7所示。

圖7 系統軟件控制流程

3.1 系統初始化

系統初始化主要實現MCU 初始化及系統參數的初始化等。MCU初始化主要實現定時器模塊、LIN通信模塊、SPI模塊、ADC模塊及中斷相關設置。系統參數初始化包括傳感器初始化以及一些系統參數設置。

3.2 角度信號讀取

主機需要向從機發送一系列的初始化信號以啟動固件，信號請求序列如圖8所示。

圖8 位置信號獲取信息序列

位置信號的讀取波形如圖9 所示。f r a m e 1 ～frame5為初始化指令，frame7開始發送位置獲取指令。

圖9 位置信號讀取波形

3.3 水閥控制

水閥控制系統有兩種工作模式，正常工作模式和休眠模式。系統開啟狀態下，若總線上無LIN 信號，系統將水閥執行到安全模式后進入休眠模式。系統開啟狀態下，若總線信號正常則執行正常工作模式，在正常工作模式下根據總線位置請求信號和水閥實際位置控制電機正反轉，水閥控制流程如圖10所示。

圖10 水閥控制流程

4 結論

本文介紹了一種基于3D 霍爾角度位置檢測及基于LIN的電機驅動芯片的汽車電子水閥執行器控制方案。方案選用MLX90363 霍爾傳感器進行位置檢測，該傳感器具有抗干擾能力強、穩定性高、檢測精度高的特點，選用電機專用驅動芯片MLX81332 作為主控芯片，該芯片具有集成度高、成本低的優點。實驗證明，該系統具有集成度高、成本低、可靠性高以及精度高的特點，可在汽車水閥控制系統中廣泛應用。