王凌志

(同濟大學,上海 200092)

0 引 言

霍爾式相位傳感器是是利用霍爾效應測量發(fā)動機凸輪軸的角度位置信息，其核元器件是霍爾芯片，評估傳感器的優(yōu)劣的關鍵特性是輸出信號的精度與穩(wěn)定精度。程娟，陳若飛等針對傳感器在的功能和常見客戶端故障類型做過研究和總結，英飛凌的應用工程師何喜富也針對霍爾芯片的誤差補償邏輯和磁滯算法做過介紹。給予前述研究人員的工作基礎上,重點介紹了傳感器總成和配套信號輪設計和使用的角度對影響傳感器信號精度的影響因素，以及每種影響因素的影響機理進行了分析和梳理，可以對傳感器的開發(fā)和研究人員提供參考。

1 相位傳感器的功能

相位傳感器是汽車點火系統(tǒng)的關鍵零部件之一，將凸輪軸的位置信息轉化成電信號輸送給ECU(Electric Control Unit)，以便于ECU準確地判斷1缸上止點位置，從而進行噴油和點火控制。如圖1所示：相位傳感器將凸輪軸信號輪的外形特征轉化成方波信號，同時曲軸位置傳感器將曲軸信號輪的外形轉變成方波信號。ECU根據(jù)凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器給出的兩個方波信號判斷是否啟動點火線圈；如果需要，ECU則會發(fā)送一個脈沖信號給到點火線圈；點火線圈接到ECU信號后產生一個約40kV的高電壓信號給到火花塞，火花塞擊穿混合氣產生火花引燃混合氣，實現(xiàn)發(fā)動機的點火過程。

圖1 凸輪軸位置傳感器的功能介紹

2 霍爾式相位傳感器工作原理簡介

霍爾式凸輪軸位置傳感器利用霍爾效應進行位置識別。1879年霍爾(hall)發(fā)現(xiàn)當電流通過有磁場垂穿過的長方形金屬片時，金屬片的側面會產生微弱的電動勢的現(xiàn)象，稱之為霍爾效應，此電動勢稱為霍爾電動勢?；魻栃獙τ谝磺袑w(包括半導體)都是適應的,其本質上是由于運動電荷受到磁場力、電場力作用的結果。根據(jù)霍爾效應理論在磁場不太強時，霍爾電動勢UH與電流強度I和磁場強度B成正比，與載流體的厚度d成反比：

其中kH為霍爾系數(shù)。

霍爾式傳感器是根據(jù)信號輪的齒或漕轉過傳感器頭部時霍爾元器件位置的磁場強度B的變化(如圖2),將信號輪外形的轉化成電信號UH的輸出狀態(tài)。

3 相位傳感器的輸出信號精度的影響因素分析

相位傳感器(以下簡稱傳感器)的輸出信號精度是指傳感器輸出的電信號角度位置與實際信號輪齒位置的之間的角度偏差值(如圖3)，所以精度的絕對值越小說明傳感器的信號越準確；不同圈數(shù)的信號精度的散差值越小說明傳感器的輸出信號越穩(wěn)定，即重復精度越好。與信號齒的兩個邊沿相對應，傳感器輸出電信號有上升沿信號精度和信號下降沿信號精度。由于霍爾芯片可以分為初始階段、預標定階段和運行模式階段；通常將初始模式和預標定階段的精度值稱為啟動精度，穩(wěn)定運行階段的精度稱為運行信號精度。

圖2 霍爾傳感器工作原理示意圖

3.1 霍爾式相位傳感器信號精度的基本概念介紹

TPO(True Power On)上電即得功能，要求傳感器在上電的瞬間能夠識別出對應的是信號輪的齒或漕。BTPO值是為了實現(xiàn)TPO功能而設定的磁場強度判斷閾值。通常需要先對目標信號輪進行mapping，測出信號輪轉動時芯片位置的實際磁場強度值變化曲線，再根據(jù)mapping數(shù)值來設定BTPO值。如圖4所示：由于不同空氣間隙下磁場強度變化較大，所以BTPO的設定值需要比最大氣息時的齒對應的磁場強度要低，而且比最小氣息時漕對應的磁場強度要大，即滿足：

B齒>BTPO，B漕

圖3 傳感器信號精度示意圖

霍爾芯片在穩(wěn)定運行狀態(tài)時是以Bcal作為切換閾值進行信號切換，Bcal的計算參照式(1)為：

Bcal=Bmin+ (Bmax-Bmin)*K0

(1)

根據(jù)公式(1)：Bmax，Bmin是可以直接根據(jù)mapping數(shù)據(jù)讀出的最大磁場強度值和最小磁場強度值，K0是霍爾芯片信號切換點的切換比例。K0值選擇的不同，芯片的輸出性能也會不同。

由于傳感器與信號輪間的空氣間隙不同時磁場強度絕對值的差異較大，需要對mapping的測量曲線按照公式(2)進行歸一化處理來降低因空氣間隙對輸出信號的影響，mapping曲線經過歸一化處理后的結果如圖6所示。運行信號精度是根據(jù)公式(1)中的K0設定值和歸一化曲線，來決定切換閾值。

Bnor=(B-BminAG1) /(BmaxAG1-Bmin AG1) *100

(2)

圖4 針對某四齒信號輪的mapping曲線

圖5 霍爾芯片不同階段信號切換閾值示意圖

3.2 影響啟動精度的因素分析

啟動精度是從傳感器上電后第一個信號開始至初始標定階段結束時間段內的角度偏差值。傳感器上電后，遇到的第一個轉過齒的邊沿是以BTPO的值作為切換閾值進行切換，然后根據(jù)芯片設定的補償步長或者步數(shù)逐步調整到穩(wěn)定運行狀態(tài)的切換閾值Bcal。通常情況下啟動精度要比芯片穩(wěn)定運行狀態(tài)時的信號精度要大得多。下面介紹幾種會影響啟動精度的因素：

3.2.1BTPO值的設定

傳感器上電后第一個轉過的齒沿以BTPO的值進行信號切換，所以BTPO值與Bcal之間的磁場強度差值會影響啟動精度。|Bcal-BTPO| 的差值越大，則啟動精度越大。

圖7 不同間隙下啟動精度的對比結果

圖8 不同K0值的信號精度結果對比

圖9 磁滯算法的不同對Bcal的影響關系

3.2.2 信號輪與傳感器間的空氣間隙大小

根據(jù)圖4的mapping曲線可知，不同空間間隙下磁場強度的絕對值差別很大；空氣間隙越小，式(1)中Bmin值增加的較小而Bmax值增加量更大，在K0不變的條件下Bcal的絕對值也會越大。圖7是在不同間隙下啟動精度的測試結果對比，小間隙時啟動精度越小，大間隙時啟動精度較小。

3.2.3 背磁的磁場強度的大小

霍爾式芯片工作是需要傳感能夠提供原始的基礎磁場強度，即是背磁?；A磁場越大則mapping曲線的也會向上移動，磁場變化幅值越大則曲線變高;會導致|Bcal-BTPO|的差值變大。啟動精度也會變大。

3.2.4 預標定階段的補償步長的選擇

預標定階段設定的補償步長或者步數(shù)的參數(shù)設定，會導致每個切換點的磁場強度值的不同；每次補償?shù)拇艌鰪姸戎捣Q為步長，到標定階段所經歷的補償次數(shù)稱為步數(shù)。步長越短，補償步數(shù)會越多，預標定階段的精度值會越小；步長越長，補償步數(shù)會越小，預標定階段的精度值會越大。

3.3 影響穩(wěn)定運行信號精度的因素分析

根據(jù)公式(1)：在穩(wěn)定運行狀態(tài)時影響霍爾芯片的信號切換的參數(shù)Bcal值的大小，Bcal的影響參數(shù)有Bmin，Bmax和K0值等。

3.3.1 切換比例K0的設定

一般的霍爾芯片都會給出不同的K0值供客戶選擇，如38.67%,51.17%,69.92%等。K0值選擇的不同，在不同空氣間隙下，歸一化曲線的橫坐標的差值大小不一致，進而影響不同空氣間隙下Bcal值的大小。故K0值的選擇會影響信號精度。圖8是選擇不同K0值時，傳感器的輸出信號精度測試結果對比。

3.3.2 芯片磁滯算法的選擇

為了降低噪音對凸輪軸位置傳感器的信號切換的影響，霍爾芯片常會引入磁滯算法的概念。磁滯算法的選擇會影響實際切換點的Bcal值發(fā)生變化，進而影響信號精度。圖9說明了不同磁滯算法的選擇對信號輸出精度的影響關系。

3.3.3 信號輪與傳感器間的空氣間隙大小

空氣間隙的大小直接影響了Bmin和Bmax值的大小，雖然通過歸一化處理的計算邏輯能夠減小不同空氣間隙對Bcal的影響，但是無法做到完全消除；所以空氣間隙仍然會影響信號的輸出精度。

3.3.4 信號輪的設計

信號輪的結構設計、材料選擇和齒形的設計會影響mapping曲線中的overshoot(圖4中波峰的兩個尖角)和小角度漕對應的最小磁場強度，也就是Bmax和Bmin值。

3.3.5 信號輪安裝的圓跳度

信號輪安裝的圓跳度較大時，每個切換閥值所參照的前一對Bmax和Bmin值都在不斷變化，即使K0值不變，Bcal值也會因信號輪的圓跳度和信號輪轉過的角度的影響而產生較大幅度的變化，信號精度也會隨之不斷變化，重復性變差。

4 結 論

本文簡單介紹了相位傳感器的功能和工作原理；并詳細描述了相位傳感器輸出信號精度的概念及其計算邏輯。利用理論分析和實驗測試的方法著重分析了傳感器信號精度的影響因素及其影響機理。影響啟動精度的主要因素有：BTPO值的設定、信號輪與傳感器之間的間隙大小、背磁的磁場強度大小和預標定階段的補償步長的選擇等。影響穩(wěn)定運行信號精度的因素有：切換比例K0值的設定、磁滯算法的選擇、空氣間隙的大小、信號輪的設計和信號輪安裝的圓跳度等。