周曉翠，孫 煒，陳彩霞

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(dòng)擋桿時(shí)，永磁體隨著擋桿一起運(yùn)動(dòng)，電路板上的霍爾傳感器感應(yīng)不同位姿的永磁體在空間中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而產(chǎn)生不同的輸出以實(shí)現(xiàn)換擋功能，因此研究永磁體在空間中的磁場分布對(duì)汽車電子排擋的設(shè)計(jì)起關(guān)鍵作用。本文中針對(duì)最常用的圓柱形永磁體進(jìn)行分析，利用其原理實(shí)現(xiàn)汽車電子排擋設(shè)計(jì)的目的。

永磁體的磁場計(jì)算有多種方法，主要有等效磁荷法、磁偶極子模型法、Maxwell應(yīng)力法、等效電流模型和有限元分析方法等，但其計(jì)算均非常復(fù)雜。文獻(xiàn)［1］中介紹了等效磁荷模型的有限差分法，使用這種方法計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)等效電源的個(gè)數(shù)和位置只能憑經(jīng)驗(yàn)確定，具有一定的盲目性。文獻(xiàn)［2］中給出了磁偶極子模型及其計(jì)算方法，其缺點(diǎn)是測試點(diǎn)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(xiàn)［3］中利用Maxwell應(yīng)力法分析計(jì)算了永磁磁力軸承的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jù)Maxwell分析方法推導(dǎo)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(shù)值方法［5］，它能夠計(jì)算不同材料和形狀磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但其計(jì)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(duì)目前汽車電子排擋系統(tǒng)中最常用的圓柱形永磁體［7］建立了數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值方法計(jì)算磁體在空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，為電子排擋的電路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并設(shè)計(jì)了相關(guān)輔助仿真軟件，能夠快速方便地根據(jù)磁體的位姿得到電路板上的觸發(fā)區(qū)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(jì)算

在庫侖模型［8］的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法對(duì)圓柱形軸向充磁永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，以圓柱下表面中心為圓心建立如圖1所示的圓柱坐標(biāo)系，設(shè)圓柱的半徑為R，高度為h，Z軸是此坐標(biāo)系的對(duì)稱軸。

一般情況下，對(duì)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(dǎo)率，μ0=4π ×10－7H/m;▽為旋度符號(hào)，Br為永磁體的剩余磁化強(qiáng)度。設(shè)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(diǎn) M(r，z)的磁場強(qiáng)度H(r，z)由上下兩個(gè)表面分別在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度疊加，即

其中:

P1+和P1－分別為位于兩個(gè)表面上的點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)與對(duì)稱軸之間的距離r相等，兩點(diǎn)的高度差即為磁體高度，設(shè)分別為圖1所示圓柱坐標(biāo)系中的單位向量，則和分別由下式給出:

因此，上下兩個(gè)表面分別在M點(diǎn)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度可由如下解析式得到:

利用上式計(jì)算出空間中任意一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度H后，可根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系求出對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

2 磁場模型在電子排擋電路輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

開關(guān)型霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，它對(duì)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(shí)，其輸出數(shù)值由磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小來確定，當(dāng)作用其上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于其動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出0，而當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于其釋放點(diǎn)Brp時(shí)，傳感器輸出1。

常用電子排擋的基本原理如圖2所示，當(dāng)駕駛員撥動(dòng)擋桿時(shí)，永磁體隨擋桿而運(yùn)動(dòng)，電路板上的霍爾傳感器則感應(yīng)該磁場的變化，根據(jù)多個(gè)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(fā)的區(qū)域位置也不同，因此可以利用上節(jié)所述永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算方法，結(jié)合開關(guān)型霍爾傳感器的動(dòng)作點(diǎn)參數(shù)，建立相應(yīng)的圓柱形永磁體觸發(fā)區(qū)域模型。利用MATLAB編程設(shè)計(jì)了相關(guān)的輔助仿真軟件，界面如圖3所示，根據(jù)傳感器的動(dòng)作點(diǎn)可計(jì)算出不同位姿圓柱形永磁體在電路板上的觸發(fā)區(qū)域，并能夠在三維坐標(biāo)系中畫出該區(qū)域，電子排擋設(shè)計(jì)人員可通過仿真軟件查看觸發(fā)區(qū)域，以此來取代傳統(tǒng)的實(shí)物測試方法，該軟件能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在確定霍爾傳感器的布局時(shí)提供決策參考，從而大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量。

該軟件能根據(jù)不同尺寸的圓柱形磁體和不同型號(hào)的傳感器來分析觸發(fā)區(qū)域的位置，對(duì)于不同型號(hào)的傳感器，只要改變其動(dòng)作點(diǎn)就可得到相應(yīng)的觸發(fā)區(qū)域，其基本功能如下:

(1)磁體參數(shù)設(shè)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(duì)磁導(dǎo)率的設(shè)置;

(2)磁體位置設(shè)置 根據(jù)磁體下表面中心相對(duì)于電路板的坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)距離電路板的高度來確定磁體的空間位姿;

(3)傳感器動(dòng)作點(diǎn)設(shè)置 根據(jù)不同型號(hào)的傳感器設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)，對(duì)于相同的磁體，若傳感器的動(dòng)作點(diǎn)增大，則相應(yīng)的觸發(fā)區(qū)域會(huì)縮小，反之區(qū)域擴(kuò)大;

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

(5)觸發(fā)區(qū)域分析 根據(jù)不同位姿的磁體和傳感器參數(shù)在三維坐標(biāo)系中畫出相應(yīng)的觸發(fā)區(qū)域;

(6)查看觸發(fā)區(qū)域 將觸發(fā)區(qū)域顯示在二維坐標(biāo)系中，使設(shè)計(jì)人員能夠快捷直觀地根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)傳感器的布局。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 集手/自一體的電子排擋

首先針對(duì)集手/自一體的汽車電子排擋系統(tǒng)，運(yùn)用所建立的磁場分析模型和仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。該款汽車排擋布局如圖4所示，排擋共包括6個(gè)擋位，分別為空擋、手/自動(dòng)切換擋、升擋、降擋、前進(jìn)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(shù)為:σ*=1.3T，μr=1.15H。圓柱形磁體的半徑為3mm，高度為8mm，當(dāng)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(shí)，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(tǒng)采用的永磁體體積小，產(chǎn)生的磁場相對(duì)較弱，而前進(jìn)擋和倒擋在機(jī)械上與其它擋位之間的距離較遠(yuǎn)，為使在換擋過程中產(chǎn)生的信號(hào)連續(xù)，采用9個(gè)霍爾傳感器排列成“土”字型的方式來確定汽車排擋的6個(gè)擋位，其中傳感器7、8和9在電路板上處于半穩(wěn)態(tài)位置，用于輸出連續(xù)信號(hào)并防止誤觸發(fā)。

此外，磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，還須確定一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)中心至電路板的距離為64mm，根據(jù)擋桿旋轉(zhuǎn)的機(jī)械特性，磁體在各個(gè)擋位的空間位置可通過一系列坐標(biāo)變換確定。

采用PIC16F631型單片機(jī)為核心控制單元設(shè)計(jì)硬件電路，并選擇Allegro公司生產(chǎn)的A1121開關(guān)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(dòng)作點(diǎn)為95G，釋放點(diǎn)為75G，其尺寸為2.98mm×1.92mm×0.9mm。利用磁場區(qū)域分析仿真軟件，并根據(jù)磁體在6個(gè)擋位上的空間位姿分別畫出相應(yīng)地觸發(fā)區(qū)域，以此來確定并優(yōu)化霍爾傳感器在電路板上的布局，仿真界面如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)表明，只要在不同的顏色區(qū)域相應(yīng)地放置一個(gè)霍爾傳感器即能保證在每個(gè)擋位下都會(huì)有傳感器被觸發(fā)但又不存在兩個(gè)傳感器均被觸發(fā)的錯(cuò)誤狀態(tài)。該軟件可通過“查看觸發(fā)區(qū)域”按鈕來精確直觀地查看各擋位觸發(fā)區(qū)域的二維圖，本文中仿真的6個(gè)擋位區(qū)域二維圖如圖8所示。

根據(jù)圖8仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)人員只要保證在一個(gè)區(qū)域內(nèi)相應(yīng)地放置一個(gè)霍爾傳感器即可滿足電子排擋的設(shè)計(jì)要求，因此，設(shè)計(jì)傳感器在電路板上的布局如圖9所示。

當(dāng)駕駛員撥動(dòng)擋桿時(shí)，9個(gè)傳感器的觸發(fā)狀態(tài)信號(hào)同時(shí)輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理并輸出4位邏輯值，以此識(shí)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(shí)現(xiàn)換擋功能。

表1 集手/自一體電子排擋上9個(gè)霍爾傳感器的輸出邏輯

根據(jù)霍爾傳感器在電路板上的相對(duì)位置和表1所示的傳感器邏輯輸出值，再結(jié)合汽車電子排擋的換擋原理，設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件電路并實(shí)現(xiàn)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(shí)物圖。經(jīng)過測試，當(dāng)磁體分別處于6個(gè)擋位時(shí)，只對(duì)應(yīng)一個(gè)霍爾傳感器被觸發(fā)，且不存在傳感器的誤觸發(fā)現(xiàn)象，該汽車電子排擋系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 全自動(dòng)汽車電子排擋

所討論的全自動(dòng)汽車電子排擋只有3個(gè)擋位，分別為R(倒擋)、N(空擋)和D(前進(jìn)擋)，且3個(gè)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(duì)磁導(dǎo)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(chǎn)的US5782，該傳感器工作電壓范圍大，且靈敏度較高，其動(dòng)作點(diǎn)為120G，釋放點(diǎn)為70G，當(dāng)擋桿位于空擋時(shí)，磁體下表面與傳感器之間的距離為5mm，而磁體的旋轉(zhuǎn)中心距離電路板的距離為60mm，其仿真結(jié)果見圖11。

因此，能根據(jù)上述仿真軟件的結(jié)果得到相應(yīng)傳感器之間的距離，該排擋只需要3個(gè)霍爾傳感器即可，從圖11可知，只要保證相鄰兩個(gè)傳感器之間的距離大于8mm即能滿足傳感器觸發(fā)的要求，本文中設(shè)計(jì)了以PIC16F677為核心控制單元的全自動(dòng)汽車電子排擋，硬件實(shí)物圖如圖12所示。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)傳感器之間的距離為8mm時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)傳感器同時(shí)被觸發(fā)的誤觸發(fā)現(xiàn)象，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

在庫侖模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法計(jì)算永磁體在空間中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了相關(guān)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(fā)區(qū)域，并根據(jù)仿真軟件的結(jié)果分別設(shè)計(jì)了兩款汽車電子排擋，根據(jù)兩款汽車電子排擋系統(tǒng)電路的實(shí)際設(shè)計(jì)，驗(yàn)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(fā)區(qū)域，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物測量方法，大大減輕電子排擋設(shè)計(jì)人員的工作量，是設(shè)計(jì)人員理想的實(shí)用輔助開發(fā)工具。

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