趙建飛， 陳立國

(1. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215131； 2. 蘇州力特奧維斯保險(xiǎn)絲有限公司， 江蘇 蘇州 215021)

輸出信號的穩(wěn)定性是汽車轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的特征， 此性能的好與差直接關(guān)系到傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性. 在特定的工作環(huán)境下， 一個(gè)可靠的傳感器不僅需要具備符合測試標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號， 而且還需要具備全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定的信號輸出， 包括全溫度和全氣隙范圍. 在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用中， 傳感器的信號輸出不穩(wěn)定時(shí)有發(fā)生， 導(dǎo)致嚴(yán)重的市場召回， 造成品牌質(zhì)量降低以及眾多的時(shí)間和資源消耗. 如何有效解決傳感器輸出信號不穩(wěn)定異常以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如何避免類似問題的發(fā)生成為汽車傳感器開發(fā)過程中一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn). 本文通過介紹轉(zhuǎn)速傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 工作原理和設(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 1 轉(zhuǎn)速傳感器示意圖Fig.1 Speed sensor diagram

如圖 1 所示[1]， 轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)包含目標(biāo)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(biāo)齒輪的轉(zhuǎn)速信息實(shí)時(shí)傳送給控制單元， 用于系統(tǒng)信號處理及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制. 轉(zhuǎn)速傳感器主要由感應(yīng)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(shè)計(jì)以及外齒輪的材料、 形狀都對傳感器輸出信號的穩(wěn)定性有很大影響.

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

1.2 轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

圖 2 轉(zhuǎn)速傳感器工作原理[5]Fig.2 Working principle for speed sensor[5]

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器利用霍爾元件制成， 并利用霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行工作. 一個(gè)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中， 磁場垂直于薄片， 當(dāng)薄片通以電流Ie時(shí)， 在薄片的兩側(cè)面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微量的霍爾電壓UH. 如果改變磁場強(qiáng)度， 霍爾電壓的大小亦隨之改變， 當(dāng)磁場消失時(shí)， 霍爾電壓變?yōu)榱鉡3].

轉(zhuǎn)速傳感器在工作過程中， 當(dāng)目標(biāo)輪齒槽正對霍爾芯片時(shí)(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(dāng)目標(biāo)輪齒頂正對霍爾芯片時(shí)(如圖 2(b) 所示)[4]， 通過霍爾芯片的磁通量較大， 此時(shí)芯片輸出低電平. 在目標(biāo)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中， 霍爾芯片感應(yīng)磁通量產(chǎn)生周期性高低變化， 通過芯片內(nèi)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(yàn)室中采集. 由轉(zhuǎn)速與頻率轉(zhuǎn)換公式式(1)即可計(jì)算出目標(biāo)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速

(1)

式中：n為目標(biāo)輪轉(zhuǎn)速；f為轉(zhuǎn)速傳感器輸出矩形波頻率；p為目標(biāo)輪齒數(shù).

2 轉(zhuǎn)速傳感器信號波動(dòng)及設(shè)計(jì)要求

圖 3 是一款汽車自動(dòng)變速箱轉(zhuǎn)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(xiàn)波形抖動(dòng)， 當(dāng)環(huán)境溫度超過135 ℃時(shí)， 矩形波占空比逐漸減小并最終輸出為零， 導(dǎo)致ECU系統(tǒng)無法正確采集目標(biāo)輪轉(zhuǎn)速信號. 當(dāng)溫度下降到130 ℃以下時(shí)， 傳感器輸出信號恢復(fù)正常. 經(jīng)過確認(rèn)， 傳感器安裝無異常， 且磁體材料選擇在-40 ℃～140 ℃范圍之內(nèi). 本文重點(diǎn)確認(rèn)傳感器磁路設(shè)計(jì)與霍爾芯片工作參數(shù)要求是否匹配.

2.1 轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)要求

轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測自動(dòng)變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速， 工作溫度范圍為-40 ℃～140 ℃. 考慮到溫度升高磁場強(qiáng)度降低， 按經(jīng)驗(yàn)值， 取常溫下增加0.35 mm氣隙補(bǔ)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(zhuǎn)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(yīng)要求

圖 5 霍爾感應(yīng)磁場強(qiáng)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(yīng)點(diǎn)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(diǎn)， 需要同時(shí)考慮霍爾感應(yīng)磁場強(qiáng)度B和開關(guān)點(diǎn)的磁滯ΔB. 霍爾感應(yīng)磁場強(qiáng)度B是傳感器感測到的磁場隨著目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的值.

如圖 5 所示[7]： 傳感器感應(yīng)信號的峰峰值Bpeak-peak需要大于芯片開關(guān)點(diǎn)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(qiáng)度最大值與最小值之差， 而ΔB為芯片開關(guān)操作點(diǎn)和釋放點(diǎn)之差.

由MLX90217芯片數(shù)據(jù)表可知， 傳感器感應(yīng)信號的峰峰值Bpeak-peak需要大于10 mT且同時(shí)感應(yīng)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度B最大不超過500 mT[8], 否則芯片將出現(xiàn)飽和狀態(tài)無法正常工作.

3 磁路模擬及優(yōu)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(shè)計(jì)的磁場仿真

通過Comsol對原設(shè)計(jì)進(jìn)行磁路模擬仿真， 確認(rèn)全氣隙范圍內(nèi)的輸出信號是否滿足芯片參數(shù)要求. 在Comsol軟件中通過設(shè)定物理場， 導(dǎo)入幾何模型， 設(shè)定邊界條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)下的求解計(jì)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(yīng)點(diǎn)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(yīng)點(diǎn)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(yīng)點(diǎn)的磁場強(qiáng)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(bǔ)償氣隙的情形下， 傳感器與目標(biāo)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(jù)最小二乘法原理， 其對應(yīng)的正規(guī)方程組為[9]

(2)

已知數(shù)據(jù)如表 1 所示.

表 1 工作氣隙與Bpeak-peak值

根據(jù)圖形趨勢可取擬合函數(shù)為冪函數(shù)

y((x) )=kx-n,

(3)

式中：k,n為待定參數(shù), 兩邊取對數(shù)得

lgy=lgk-nlgx.

(4)

令Y=lgy,X=lgx,A=lgk, 則式(4)變?yōu)?/p>

T=A-nX.

(5)

相應(yīng)的正規(guī)方程組為

(6)

得表 2 數(shù)據(jù)：

表 2 正規(guī)方程組數(shù)據(jù)

即

(7)

由此解得

(8)

再求出k=10A=173.78,便得擬合曲線函數(shù)為

y(x)=173.78x-2.45.

(9)

當(dāng)x=3.15 mm時(shí)，y(x)=10.45 mT.

通過最小二乘法非線性擬合曲線計(jì)算在常溫下氣隙為3.15 mm工況時(shí)， 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(yīng)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(huán)境溫度的升高， 輸出信號出現(xiàn)抖動(dòng)異常， 并最終輸出為零.

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

從原始設(shè)計(jì)方案的磁路模擬分析數(shù)據(jù)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(bǔ)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(shí)需要兼顧最小氣隙下的霍爾感應(yīng)磁場強(qiáng)度B.

圖 8 軸向磁體簡圖Fig.8 Axial magnet

由于傳感器磁體形狀規(guī)則， 可以通過估算公式判斷傳感器的磁路設(shè)計(jì)改善方案. 傳感器的磁體采用圓柱形， 其對應(yīng)的磁場感應(yīng)點(diǎn)簡化圖形如圖 8 所示[10]， 估算公式為

(10)

式中：B/mT為感應(yīng)點(diǎn)磁場強(qiáng)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(yīng)點(diǎn)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(yīng)點(diǎn)的表磁， 但同時(shí)需考慮磁場強(qiáng)度是否超過芯片工作范圍. 原設(shè)計(jì)如圖 7 所示： 傳感器在1.3 mm工作氣隙下磁場強(qiáng)度已經(jīng)超過500 mT, 傳感器處于工作飽和臨界點(diǎn)， 故優(yōu)先考慮如何降低最小工作氣隙下的感應(yīng)磁場強(qiáng)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(yīng)點(diǎn)的部分磁場， 利用Comsol軟件模擬傳感器感應(yīng)點(diǎn)的磁場變化量， 如圖 9 所示. 在全工作氣隙范圍內(nèi)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度較原始設(shè)計(jì)有明顯降低， 最小工作氣隙下磁場強(qiáng)度由514.67 mT降低至393.43 mT, 符合芯片感應(yīng)磁場小于500 mT的要求， 但需確認(rèn)其對峰峰值Bpeak-peak的影響.

進(jìn)一步確認(rèn)在不同工作氣隙下的傳感器磁感應(yīng)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(yīng)點(diǎn)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(rèn)在極限氣隙下的感應(yīng)磁場強(qiáng)度B和峰峰值Bpeak-peak的大小. 所得模擬數(shù)據(jù)如表 3 所示. 通過數(shù)據(jù)對比， 磁體長度增加到10 mm時(shí)能夠同時(shí)滿足芯片對感應(yīng)磁場強(qiáng)度和峰峰值的要求(磁場強(qiáng)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(chǎn)品是否能夠正常工作的唯一方式， 需要在溫度箱中確認(rèn)其從低溫到高溫的實(shí)際工況. 外接示波器和電子電路， 利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器目標(biāo)輪確認(rèn)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(shí)際12 V供電.

通過對轉(zhuǎn)速傳感器的磁路設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析并優(yōu)化， 傳感器磁體表面設(shè)計(jì)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(wěn)定的改善方案. 傳感器測試安裝如圖 11 所示， 通過調(diào)整測試用具的氣隙和控制環(huán)境溫度箱中的溫度， 記錄傳感器在極限工作氣隙和環(huán)境溫度下的輸出信號狀況.

圖 11 傳感器測試設(shè)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(jīng)過測試確認(rèn)傳感器在-40 ℃～140 ℃全溫度范圍內(nèi)輸出信號波形穩(wěn)定， 未發(fā)生波動(dòng)異常.

5 結(jié) 論

通過對汽車轉(zhuǎn)速傳感器原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模擬分析， 并運(yùn)用最小二乘法非線性擬合曲線計(jì)算， 確認(rèn)傳感器在高溫條件下信號產(chǎn)生不穩(wěn)定的原因； 提出了通過設(shè)計(jì)聚磁片同時(shí)增加磁體長度來同時(shí)滿足傳感器在極限工作氣隙下感應(yīng)點(diǎn)對磁場強(qiáng)度和峰峰值的要求； 最終通過對改善產(chǎn)品的測試確認(rèn)改善方案的有效性. 文章中對于轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的磁場模擬和信號波動(dòng)的改善方法亦對其它同系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要的參考意義.