霍爾轉速傳感器在雙離合自動變速器中的應用

董蕾

（江淮汽車股份有限公司技術中心）

隨著用戶對汽車駕駛性和燃油經濟性要求的不斷提高，雙離合器自動變速器（DCT）得到越來越廣泛的應用，DCT 采用兩組離合器交替工作，不存在動力中斷，傳動效率高[1]，兼顧了燃油經濟性和駕乘舒適性。而轉速信號作為DCT 控制的最基礎信號，對換擋的品質和安全性起著至關重要的作用，轉速傳感器輸入轉速信號給變速器控制單元（TCU）進行信號處理以優化傳動比，從而獲得較好的發動機性能和效率[2]。轉速傳感器主要有磁感應式、霍爾效應式、變磁阻（VR）式及磁敏式（MRE）傳感器[3]等，考慮到信號的穩定性、高精度以及正反轉探測等因素，DCT 一般采用霍爾傳感器。

1 霍爾轉速傳感器原理

1.1 霍爾效應

當電流流過一個處于磁場中的導體時，若磁場方向垂直于電流流向，則導體在垂直于磁場和電流方向上偏轉，即產生霍爾效應[4]。若有一磁場垂直于傳感器，在輸入電壓的作用下，電流在傳感器的兩端流過，將產生一個霍爾電壓。霍爾電壓由磁場的強度和流過的電流決定。

1.2 傳感器測量轉速原理

典型的霍爾傳感器輸出波形，如圖1所示。當輪齒接近霍爾傳感器和磁鐵時，磁通量集中通過金屬信號輪齒，傳感器的輸出為正弦波，正弦波的頻率為金屬輪的轉數乘以輪齒數，系統的分辨率由輪齒數決定。θ 為360°除以齒數，表征了頻率與齒數的對應關系。

當輪齒經過傳感器時，傳感器輸出一個電脈沖信號，由TCU 的計數器記錄脈沖數，由脈沖信號的頻率便可得到轉速值。

一般采用M/T 法進行測速，該方法適用較寬的轉速范圍，具有較高的測速精度。測速原理為由計數器記錄傳感器發出的脈沖信號；定時器每隔一段時間向CPU 發出中斷請求；CPU 響應中斷后，讀出計數值（M1）；同時計數器記錄來自 CPU 的高頻脈沖（f0）；傳感器每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU 發出一次中斷請求；CPU 響應中斷，從計數器中讀出計數值（M2）。

M/T 法測速轉速值的計算公式為：

式中：n——齒輪的轉速，r/min；

f0——計數器記錄來自CPU 的高頻脈沖，Hz；

M1——計數器記錄傳感器脈沖的個數；

M2——計數器記錄時鐘脈沖的個數；

Z——齒輪的齒數；

Tt——計數時間，s。

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2 霍爾轉速傳感器在DCT中的應用

2.1 霍爾轉速傳感器與TCU的匹配

2.1.1 霍爾轉速傳感器的物理特性要求

轉速傳感器需要準確地檢測轉速，并能夠長時間工作在高溫的變速器油中，部分轉速傳感器還需要具備方向檢測功能。變速器的轉速輸入來自發動機，發動機轉速的范圍為50～8 000 r/min，考慮到變速器各擋速比，則轉速傳感器的測量范圍為0～10 000 r/min。所以要求傳感器能夠在低頻及高頻的范圍內準確測量。

2.1.2 霍爾傳感器的硬件接口電路匹配

霍爾轉速傳感器的芯片可以選擇英飛凌的TLE4921 或Allegro 的ATS651。由芯片輸出電流型的頻率量，這樣TCU 可以提供傳感器對電源短路、對地短路和開路的診斷。

霍爾轉速傳感器需要浸入在變速器油中，且在-40～140 ℃的溫度范圍內能正常工作，其需要具備的電氣性能指標，如表1所示。

表1 霍爾轉速傳感器需要具備的電氣性能指標

傳感器芯片包含調節器，可以在較寬的供電電壓范圍工作，但對于EMI/RFI（電磁干擾/射頻干擾）保護還需進行設計。傳感器與TCU 的接口電路典型配置，如圖2所示[5]。其中下拉電阻（RL）一般選取 100 Ω，接口電容（CL）根據實際的應用情況進行選擇。

2.1.3 霍爾傳感器的信號產生及內部處理

在芯片工作、信號轉換與傳遞過程中，芯片對目標的檢測有頻率范圍要求，輸出脈沖會在設定的磁通量范圍內起作用，也會在相應范圍內被釋放。同時，芯片所受的磁感應強度也影響輸出電壓的特征，進而影響到輸出脈沖的特征。差分處理信號與磁感應強度的對應關系，如圖3所示。

當目標齒輪經過芯片的感應面時，每個輪齒產生一個脈沖輸出，每個脈沖輸出包含目標齒輪的轉速大小和轉動方向。其中，轉速大小通過脈沖頻率表達；轉動方向通過脈沖寬度表達，即每個脈沖存在的時間。目標信號齒輪允許的最高轉速受到輸出脈寬及TCU所能處理的最短低電平寬度限制。

在正向與反向檢測中，芯片輸出脈沖與齒輪的對應位置關系，如圖4所示，正向脈沖位于齒輪槽，反向脈沖位于輪齒處，正方向頻率范圍需求高于反方向，正向脈沖寬度是反向脈沖寬度的1/2。

2.2 霍爾轉速傳感器在DCT上的布置

某款DCT 采用濕式結構，變速器主要由兩組多片式濕式離合器、雙輸入、雙輸出軸式齒輪變速器及電液控制機構組成，如圖5所示。發動機的輸入轉速和扭矩通過掛上相應擋位和對應離合器結合后被傳遞到輸出軸并最終將動力傳遞到車輪。變速器的控制需要發動機輸入到變速器的轉速以獲取輸入轉速，需要輸入軸1和2 的轉速并配合輸入轉速以獲取離合器的滑摩率，需要輸出軸轉速并配合輸入軸1 和2 的轉速以檢測是否掛上正確擋位及計算車速。輸出軸轉速傳感器帶方向檢測以判斷倒擋輸出及反托等其他工況。

變速器輸入轉速傳感器一般安裝在離合器殼體上，檢測濕式雙離合器的齒轂（或與之嚙合的油泵的驅動齒）的轉速。

輸入軸1 轉速傳感器和輸入軸2 轉速傳感器根據布置情況可集成到一個傳感器模塊上，安裝在殼體或機械電子模塊上，檢測輸入軸1 和2 上的固定斜齒輪（或者安裝在軸上的磁性靶輪）的轉速。

輸出軸轉速傳感器可單獨布置或者集成到傳感器模塊上，安裝在殼體或機械電子模塊上，檢測輸出軸上的固定斜齒輪（或者安裝在軸上的磁性靶輪）的轉速。

轉速傳感器的安裝都要求與被測對象（斜齒輪的齒頂或磁性靶輪）對準，傳感器芯片的中心位置對應被測對象可檢測范圍中心位置。被測對象的振動會干涉傳感器的方向檢測功能，使得芯片有可能輸出無方向信號脈沖，故被測對象的軸向和徑向跳動需在合理的范圍內。

轉速傳感器有電源線和信號線2 根連接線。傳感器與被測對象的空氣間隙為（1±0.5）mm。

2.3 霍爾轉速傳感器的性能驗證

2.3.1 傳感器的轉速信號識別及輸出測試

利用變速器臺架來驗證傳感器的功能，變速器臺架示意圖，如圖6所示。利用示波器直接測量傳感器輸出的信號脈沖，并對各個轉速下的信號進行分析。

經過測試，在不同的轉速下示波器記錄的矩形波脈沖信號具有相同的幅值及不同的頻率，霍爾轉速傳感器在要求的0～10 000 r/min 轉速范圍內均能正確識別到轉速信號。

2.3.2 TCU 對輸出信號的識別測試

利用標定設備CANape 記錄TCU 采集的轉速傳感器的輸出信號，如圖7所示。

經過測試，TCU 在要求的0～10 000 r/min 轉速范圍內均能正確識別到霍爾轉速傳感器的轉速信號，考慮到輸入轉速的不穩定因素的影響，轉速信號在±2 r/min的偏差是可以接受的。

2.3.3 整車環境下的性能驗證測試

在整車試驗中采集傳感器轉速信號并與來自CAN的發動機轉速信號同步記錄，如圖8所示。

從圖8 可以看出，發動機轉速信號和離合器輸入轉速信號重合，轉速傳感器的精度及響應時間等可以達到系統的需求。

3 結論

DCT 選用霍爾轉速傳感器采集速度信號，測試轉速范圍及精度能滿足DCT 的要求，且具有功耗小、頻率高及壽命長等特點。變速器內部的傳感器發出滿足要求的脈沖信號，經過TCU 系統實現轉速測控，信號處理芯片及接口電路能滿足TCU 的匹配要求，且具有線路簡單、實時性好、成本低、安裝調試方便及節省空間等優點。經過實際功能和耐久驗證，整車環境下傳感器的信號正常，性能可靠。