袁德勝

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

0 引言

汽車傳感器技術(shù)是促進(jìn)汽車高檔化、電子化和自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。如今，汽車設(shè)計(jì)者對(duì)傳感器的使用數(shù)量也越來(lái)越多，比如，氧傳感器、爆震傳感器和位置傳感器等。其中位置傳感器更是應(yīng)用廣泛，比如曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、油門位置傳感器等。因此，選取一款可靠的非接觸式汽車級(jí)位置感應(yīng)芯片是汽車設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。MLX90360 是專門用于反饋汽車位置信息的高性能智能芯片，能感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)范圍從0°～360°的絕對(duì)角度位置[2-4]。圖1給出了MLX90360角位移測(cè)量的原理示意。

圖1 MLX90360角位移測(cè)量原理示意圖

該芯片測(cè)量范圍可編程，具有模擬輸出和PWM輸出兩種模式，并具備12位分辨率，10 MHz的主芯片時(shí)鐘頻率，可滿足絕大多數(shù)汽車電子位置檢測(cè)應(yīng)用的準(zhǔn)確度和速度需求。芯片采用SOIC-8封裝，安裝方便，目前在汽車電子中的踏板、高度和方向盤等位置檢測(cè)系統(tǒng)中被廣泛使用[5]。本文以電子油門位置檢測(cè)設(shè)計(jì)為實(shí)例，對(duì)MLX90360的使用和標(biāo)定方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 油門位置檢測(cè)系統(tǒng)搭建

1.1 油門踏板磁鋼及傳感器布置

本設(shè)計(jì)中在油門踏板旋轉(zhuǎn)軸中心鑲?cè)肓藦较虺浯糯配?N38 釹鐵硼)，磁鋼可任意角度安裝。傳感器通過(guò)固定支架固定于軸套外側(cè)，為獲得最佳線性度，傳感器和磁鋼的間距通常可設(shè)定為2 mm左右，且傳感器感應(yīng)點(diǎn)與磁鋼中心盡量同心。油門踏板磁鋼及傳感器布置示意圖如圖2所示。

圖2 油門踏板磁鋼及位置傳感器布置示意圖

磁鋼選取參數(shù)可參考表1。

表1 磁鋼參數(shù)選取參考表

1.2 位置傳感器硬件電路

本文選取的油門踏板位置檢測(cè)傳感器為MLX90360(L型：-40 ℃ to +150 ℃)。通過(guò)編程設(shè)置，MLX90360可得到與供電電壓成比例輸出的模擬信號(hào)或數(shù)字脈寬調(diào)制信號(hào)。其硬件連接原理圖如圖3所示。

圖3 位置檢測(cè)的硬件典型電路原理圖

其中，圖3元器件配置參考表2。

表2 典型電路元件配置表

模擬輸出和PWM輸出編程方式幾乎一致，本設(shè)計(jì)以模擬輸出為實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 位置傳感器編程

2.1 PTC-04編程環(huán)境搭建

PTC-04 Programmer是邁來(lái)芯公司研發(fā)的一款燒錄器，其主要功能就是為其旗下的9系列芯片進(jìn)行編程。若對(duì)MLX90360編程，需在PC機(jī)上依次安裝PTC-04軟件主程序、90360芯片的模塊子程序和燒錄器與PC機(jī)建立連接的驅(qū)動(dòng)程序。搭建完成的MLX90360編程環(huán)境示意圖如圖4所示。

圖4 芯片編程關(guān)系圖

2.2 PTC-04使用

編程操作時(shí)不需要任何專用的引腳，只需使用芯片的VCC、GND和OUT引腳即可。

打開(kāi)程序后，在“UI modules”選項(xiàng)卡下雙擊“MLX90360ACB”進(jìn)入子模塊編程界面。點(diǎn)擊界面最上方“New device”使編程器與MLX90360芯片建立連接，若無(wú)錯(cuò)誤提示則表示連接成功。編程界面如圖5所示。

圖5 芯片編程界面

由于該編程系統(tǒng)涉及內(nèi)容較多，本文僅對(duì)設(shè)計(jì)中用到的關(guān)鍵設(shè)置參數(shù)進(jìn)行闡述。圖5中步驟1的作用是選擇位置傳感器芯片的輸出模式，該芯片供用戶選擇的輸出模式共有7種，如表3所示。

表3 輸出模式選擇

步驟2的作用是選擇標(biāo)定傳感器的點(diǎn)數(shù)，一般多點(diǎn)標(biāo)定會(huì)提高輸出精度，輸出信號(hào)的線性程度會(huì)越好。步驟3的作用是選擇輸出信號(hào)的濾波方式。步驟4、5分別設(shè)置低位鉗位電壓和高位鉗位電壓。步驟6將上述設(shè)置寫入芯片。步驟7，獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度增益，該功能可用于測(cè)試位置傳感器布置是否合理，若距離磁鋼較近，則Gain值較小，否則此值會(huì)較大，較小或較大都不利于位置測(cè)量的線性度，建議該值為10～20最佳，大于41表示傳感器未檢測(cè)到磁鋼，將進(jìn)入診斷模式。步驟8，可定義位置起始點(diǎn)的角度值，通常該值設(shè)置一個(gè)大于0的值，這樣可以避免由機(jī)械磨損導(dǎo)致角度誤差增加后位置檢測(cè)在該點(diǎn)產(chǎn)生奇異點(diǎn)，隨后執(zhí)行步驟9將該點(diǎn)寫入。步驟10，點(diǎn)擊“Characterize”，程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算出輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的斜率和偏置；完成上述操作后，便可以對(duì)位置傳感器進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)被測(cè)器件的不同位置設(shè)置相應(yīng)的電壓；步驟13生成標(biāo)定的位置-電壓曲線圖，用于驗(yàn)證編程是否正確；若無(wú)誤則可以進(jìn)行步驟14，將上述標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入芯片。

本設(shè)計(jì)中，輸出模式采用模擬輸出；標(biāo)定方式采用3點(diǎn)式，其精度可滿足油門踏板使用需求；濾波器選擇“Filter 2”；鉗位的高低電壓分別選取90%和10%，即5 V的供電電壓下，輸出信號(hào)的電壓范圍是0.5 V～4.5 V；固定好傳感器位置后，得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度增益值為18；油門踏板位置起始點(diǎn)設(shè)為100°。本設(shè)計(jì)定義油門踏板高位時(shí)為零位，踩到底為最大位置。腳踏板無(wú)動(dòng)作時(shí)處于零位，設(shè)置此時(shí)位置傳感器輸出為10%；隨后將腳踏板踩到底，設(shè)置此時(shí)位置傳感器輸出為90%。觀察曲線圖無(wú)誤后，將上述標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入芯片。

標(biāo)定后可通過(guò)軟件底部的“measurement”對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，觀測(cè)油門零位的輸出電壓值，然后將腳踏板踩到底觀測(cè)最大油門位置的輸出電壓值，緩慢勻速抬起或踩下腳踏板觀測(cè)測(cè)試窗口的輸出電壓值是否連續(xù)、線性變化，如與規(guī)定的一致則證明標(biāo)定成功。

2.3 線性度測(cè)試

將角度測(cè)量?jī)x固定在腳踏板上并置零，然后將腳踏板推至不同的位置同時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)，得到角度與電壓對(duì)應(yīng)測(cè)量關(guān)系(見(jiàn)表4)。

表4 腳踏板角度與位置輸出電壓測(cè)量值

通過(guò)表4可知，基于MLX90360油門踏板位置反饋設(shè)計(jì)線性度較好，采用兩點(diǎn)標(biāo)定后位置反饋絕對(duì)誤差為0.05 V。在位置線性度要求更高的應(yīng)用中可對(duì)位置反饋進(jìn)行多點(diǎn)標(biāo)定，以便提高輸出精度。

3 結(jié)論

基于MLX90360的電子油門設(shè)計(jì)完全可以滿足電子油門設(shè)計(jì)使用要求，由于該測(cè)量方法采用非接觸式測(cè)量方式，傳感器使用過(guò)程中無(wú)機(jī)械磨損，為了防止油門機(jī)械零位由于磨損出現(xiàn)偏移，位置傳感器在標(biāo)定時(shí)將行程以外的位置都進(jìn)行限制，超出出廠標(biāo)定區(qū)間的位置默認(rèn)鉗位值，因此MLX90360傳感器還具備機(jī)械零位偏移修正功能，不會(huì)像其他電位計(jì)式傳感器偏移后出現(xiàn)奇異點(diǎn)，該方案魯棒性較好，油門位置測(cè)量方法可靠，使用壽命長(zhǎng)，標(biāo)定簡(jiǎn)單等。

[1] 曾誼暉, 蔣彥. 汽車電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)機(jī)電工業(yè), 2002(13):37-39.

[2] Melexis. MLX90360 Datasheet[S].2013.

[3] 李明陽(yáng), 楊燕紅, 彭憶強(qiáng),等. 基于LabVIEW的非接觸式傳感器標(biāo)定儀設(shè)計(jì)[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 33(6):42-47.

[4] 印友軍. 基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器的研究與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué), 2012.

[5] 朱啟林. 汽車EPS轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角集成傳感器的研發(fā)[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2013.