霍爾速度傳感器原理及算法介紹

何喜富

隨著汽車電子的發(fā)展，現(xiàn)代汽車裝配有各種傳感器J如角度傳感器，位置傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器等。這些傳感器將各種輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)化為電信號用于調(diào)節(jié)和控制發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和舒適性系統(tǒng)等?；魻栃?yīng)是比較理想的磁性感應(yīng)技術(shù)，通過檢測磁場及其變化，轉(zhuǎn)化成電信號用于檢測速度，位置，角度等。霍爾傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，可靠性高，壽命長，功耗低，溫度范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，耐灰塵油污腐蝕等。

工作原理

信號偏移處理

在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域，往往要求傳感器模塊工作在40℃至150℃范圍，有些甚至要求工作在175℃。一方面磁性材料會受到溫度影響，另外霍爾探頭本身也有溫度效應(yīng)。因此必須對霍爾傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

除溫度影響外，霍爾元件還容易受到機(jī)械應(yīng)力，焊接或者封裝影響，且由于半導(dǎo)體工藝的波動造成產(chǎn)品之間存在差異，如霍爾材料或者厚度不均勻等，造成信號的偏差和漂移。通過chopper主動誤差補(bǔ)償方法可以消除信號路徑產(chǎn)生的偏移、機(jī)械應(yīng)力對霍爾探頭影響以及焊接注塑等工藝對封裝的影響所帶來的偏差和漂移。

霍爾探頭輸出信號主要由三部分組成：工藝造成的差異，機(jī)械應(yīng)力誤差以及霍爾電壓。這三部分只有霍爾電壓才是有用的信號，其余部分是需要消除掉的偏差。

如圖1所示，在階段1電流自上而下流入霍爾探頭，從右到左采樣霍爾電壓。在階段2電流從左往右流入霍爾探頭，從上往下采樣霍爾電壓。同樣的，在階段3和階段4輸入電流和輸出電壓繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°。由圖1可以看出，通過旋轉(zhuǎn)電流方法，只是改變了偏差的方向，而不會改變霍爾電壓的方向。通過代數(shù)方法很容易消除掉信號的偏差及漂移。

信號處理

霍爾速度傳感器主要由電源電壓調(diào)整電路，霍爾探頭，放大器，濾波器，比較器，數(shù)字信號處理電路，AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器等組成?；魻柼筋^檢測到的磁場信號經(jīng)過放大器放大并經(jīng)過低通濾波器后由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號處理電路以及DA轉(zhuǎn)換器組成閉環(huán)回路，信號數(shù)字化后進(jìn)入數(shù)字信號處理電路中，處理電路會檢測信號上升或者下降瞬態(tài)情況并相應(yīng)觸發(fā)輸出信號，同時還會檢測信號最大最小值并計算其平均值，該平均值通過DA轉(zhuǎn)換后反饋到輸入信號中用于補(bǔ)償磁場信號偏移。比較器用于比較磁滯信號，信號會根據(jù)不同磁滯算法進(jìn)行切換。

英飛凌霍爾速度傳感器介紹

英飛凌以TLE49XX命名霍爾系列傳感器，其中字母E代表汽車級，I代表工業(yè)級，V代表消費(fèi)級。數(shù)字49代表霍爾感應(yīng)原理，50代表iGMR感應(yīng)原理，51代表AMR感應(yīng)原理。最后兩位數(shù)字代表其應(yīng)用。英飛凌霍爾速度傳感器可以應(yīng)用在輪速，變速箱速度，凸輪軸和曲軸速度及位置檢測等。

在信號輸出方面，主要有兩線制電流式和三線制電壓式兩種。兩線制電流式輸出電流信號在7mA和14nA塞兩個電流上變換。圖2是典型的兩線制電流式傳感器應(yīng)用電路。

三線制電壓式接口通常是“開路漏極接口（Open-Drain-Interface）”或“開路集電極接口（Open—Collector-Interface）”，對于這類接口傳感器，外圍電路需要有上拉電阻。圖3是典型的三線制電壓式應(yīng)用電路。當(dāng)輸出MOSFET截止時，輸出信號vsignal被上拉電阻拉升到輸入電壓VS。當(dāng)輸出MOSFET導(dǎo)通時，MOSFET內(nèi)阻相對于上拉電阻小很多，因此輸出信號Vsignal被拉低到地。

單霍爾傳感器

在凸輪軸應(yīng)用中，凸輪軸傳感器用于檢測凸輪軸轉(zhuǎn)速及位置，它和曲軸傳感器配合，用于燃油噴射控制，提高燃油效率。發(fā)動機(jī)啟動時要求傳感器能夠迅速檢測目標(biāo)輪是齒還是槽。也就是說傳感器還處于靜止?fàn)顟B(tài)時就必須能夠檢測出目標(biāo)輪狀態(tài)，即上電檢測（TruePower On）功能，這一特性是差分式霍爾傳感器所不具備的。英飛凌TLE498x系列（含TLE4983C，TLE4984C以及在研發(fā)中的TLE4986C）是專門針對凸輪軸應(yīng)用的單霍爾速度傳感器，具有TPO功能，動態(tài)自我標(biāo)定算法，可下線編程，靈敏度及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

差分霍爾傳感器

英飛凌提供差分霍爾傳感器用于速度檢測，如果需要方向檢測功能則需要有第三個霍爾探頭用于檢測目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動方向。圖4為帶有方向檢測功能的差分霍爾傳感器。假設(shè)從左到右霍爾探頭分別為B1，B3，B2。則△Bspeed=B2-B1，△Bdir=B3-（B2+B1）/2。取決于目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動方向，中間霍爾探頭信號會比速度信號超前或者延遲90。，通過比較方向和速度信號之間相位，傳感器能夠判斷出目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動方向，并輸出相應(yīng)PWM信號。

背磁

磁性傳感器信號的產(chǎn)生離不開磁場，而傳感器感應(yīng)面和目標(biāo)輪之間磁場產(chǎn)生方式主要有兩種：一種是磁性輪如圖5左所示。還有一種是針對非磁勝輪應(yīng)用，如圖5右所示。對于這種非磁性輪應(yīng)用，設(shè)計時需要在傳感器背面集成磁鐵，即背磁方式（back bias）。對于背磁方式，除客戶自主設(shè)計磁鐵外，英飛凌還提供集成背磁版本（IntegratedBackBias）的磁速傳感器。需要特別指出的是，對于需要有TPO功能的凸輪軸傳感器以及基于iGMR感應(yīng)原理的磁速傳感器，其背磁方式需要有磁路抑制技術(shù)，英飛凌能夠提供具有相關(guān)專利技術(shù)的背磁方案。

磁速傳感器通過測量磁通量的變化來檢測目標(biāo)輪的運(yùn)動以及參考位置，在英飛凌規(guī)格書中，差分式霍爾傳感器可工作在磁場N極或者s極，其背磁場強(qiáng)范圍在，500～500mT，傳感器工作在更大的磁場強(qiáng)度下不會造成傳感器的損壞，其背磁磁場強(qiáng)度會直接影響傳感器氣隙表現(xiàn)。兩個霍爾探頭靜態(tài)磁場差分強(qiáng)度△Bstatic需要小于30mT，如圖6所示，兩個霍爾探頭距離為2.Smm（TLE4941PlusC為2.0mm以便更好適應(yīng)更小齒距的輪速傳感器應(yīng)用），需滿足△Bstatic=|Bpl-Bp2|<30mT，如果△Bstatic大于30mT，可能造成輸出信號占空比不良。為了減小靜態(tài)差分磁場強(qiáng)度，對于背磁感應(yīng)方式，傳感器設(shè)計時可在背磁和傳感器之間增加導(dǎo)磁片，這樣可以使得磁場分布更加均勻，從而減小兩個霍爾探頭之間靜態(tài)磁場強(qiáng)度差異。

磁滯概念

磁速傳感器在汽車上有不同應(yīng)用，如輪速，變速箱速度，凸輪軸和曲軸速度及位置檢測等，其應(yīng)用環(huán)境也不同。為了更好適應(yīng)不同應(yīng)用，獲得更好性能，英飛凌磁性傳感器提供靈活的磁滯算法，主要有四種磁滯算法：HF（HiddenFixed），VF（Visible Fixed），HA（HiddenAdaptive），VA（VisibleAdaptive）。

所謂Hidden磁滯概念，即信號在過零點(diǎn)處切換。輸入信號幅度很容易受到空氣間隙變化的影響，而由于Hidden磁滯切換點(diǎn)在過零點(diǎn)處，從而可以避免受到信號幅度影響，所以Hidden磁滯算法可以獲得最佳的相位精度。所謂Visible磁滯概念，即信號在額定磁滯帶上切換。對于齒距較長的目標(biāo)輪，選用Visible磁滯算法，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出信號。

圖7是典型的60-2齒的凸輪軸應(yīng)用，在目標(biāo)輪長槽處，由于差分式霍爾傳感器兩個霍爾探頭檢測到的磁場強(qiáng)度一樣，因此會有很長一段差分信號△B為O，在信號處理過程中，如果選用Hidden磁滯算法，容易導(dǎo)致輸出信號相位抖動。而選用Visible磁滯算法，輸出信號比較穩(wěn)定。

所謂Adaptive磁滯概念，即其磁滯水平受輸入信號幅度影響。選用Adaptive磁滯算法，能夠起到振動抑制作用。所謂Fixed磁滯概念，即磁滯水平為一定值。

為了更好地理解英飛凌磁勝傳感器磁滯算法的概念，下面以TLE492X系列產(chǎn)品為例做進(jìn)一步解釋。

如圖8所示為Hidden Fixed磁滯算法，以TLE4926C-HT E6547為例，其磁滯算法為Hidden Fixed。當(dāng)輸入信號幅值超過額定磁滯帶時（圖例磁滯帶閾值A(chǔ) BHYS為2mT），信號在過零點(diǎn)處切換。

如圖9所示為Visible Fixed磁滯概念，以TLE4924—1 E6S47為例，其磁滯算法為Visible Fixed。從圖中可以看出其信號切換點(diǎn)在磁滯帶上而不是過零點(diǎn)處，又由于是Fixed磁滯，因此其磁滯帶為定值（圖例磁滯帶閾值△BHYS為2.8mT）。

如圖10為Hidden Adaptive磁滯概念，以TLE4927C E6547為例，磁滯算法為Hidden Adaptive，其信號切換在過零點(diǎn)處，磁滯帶水平動態(tài)對應(yīng)PGA等級。當(dāng)輸入信號幅值超過該P(yáng)GA等級對應(yīng)磁滯帶時，信號會在過零點(diǎn)處切換。

如圖11為Visible Adaptive磁滯概念，以TLE4924C-2 E6547為例，磁滯算法為Visible Adaptive，其信號切換在磁滯帶上而不是過零點(diǎn)處，而其磁滯帶水平動態(tài)又對應(yīng)PGA等級。當(dāng)輸入信號幅值超過該P(yáng)GA等級對應(yīng)磁滯帶時，輸出信號會在該磁滯帶上切換。

意法半導(dǎo)體牽手長城汽車踐行汽車電子拓展新理念

意法半導(dǎo)體（ST）近日與中國長城汽車（GWM）股份有限公司宣布建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并在GW-M技術(shù)中心設(shè)立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室將專注動力總成、底盤、安全、車身、車載娛樂、新能源技術(shù)以及其它汽車應(yīng)用前沿解決方案的研發(fā)。

這次合作是意法半導(dǎo)體全新汽車電子市場拓展的新理念在中國市場的代表性執(zhí)行體現(xiàn)，意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁兼大中華與南亞地區(qū)總裁紀(jì)衡華表示，為了應(yīng)對汽車電子市場的變化，ST逐漸開始與汽車制造商直接合作，以更好地用最新半導(dǎo)體技術(shù)服務(wù)汽車客戶，繼先后與奧迪和現(xiàn)代合作之后，作為中國汽車電子市場最大的供應(yīng)商，ST這次選擇了長城汽車作為合作伙伴。意法半導(dǎo)體將為該項目投入最新的汽車電子技術(shù)與解決方案，包括GDI（汽油缸內(nèi)直噴）、BCM（車身控制模塊）、PowerPc系列32位微控制器等汽車級芯片、高度集成的EMS（引擎管理系統(tǒng)）芯片解決方案、安全系統(tǒng)芯片解決方案（主動和被動）、完整的信息娛樂平臺化方案（汽車音響、視頻，智能通訊和導(dǎo)航）等汽車電子相關(guān)應(yīng)用，并提供相應(yīng)參考設(shè)計、開發(fā)工具、技術(shù)支持與培訓(xùn)等。

長城汽車股份有限公司高級副總裁兼技術(shù)中心主任黃勇表示：“國內(nèi)自主品牌汽車正面臨前所未有的競爭壓力，自主車企必須完成戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，并大力發(fā)展自主核心技術(shù)，以與合資品牌競爭。隨著消費(fèi)者對汽車安全性和舒適度日愈關(guān)注，汽車電子市場也在高速增長。長城汽車與意法半導(dǎo)體建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在提升長城汽車汽車電子核心技術(shù)方面會起到至關(guān)重要的作用，為雙方進(jìn)一步的深入合作奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>