對某車用霍爾式傳感器的優化設計

劉 平

（同濟大學 汽車學院，上海 200092）

對某車用霍爾式傳感器的優化設計

劉 平

Liu Ping

（同濟大學 汽車學院，上海 200092）

目前各種電子元器件在汽車上的應用越來越多，其電磁兼容性對整車可靠性有著重大影響。六西格瑪設計（Design For Six Sigma，DFSS）可以快速鎖定優化目標，減少試驗次數。將DFSS思想運用到提高汽車用霍爾傳感器的電磁兼容性設計之中，快速可靠地提高傳感器抗電磁干擾能力。改進后的傳感器通過了電磁兼容性試驗及整車試驗，達到了預期的目的。

六西格瑪DFSS；傳感器；電磁兼容性

0 引 言

隨著現代電子技術的飛躍發展，應用在汽車上的傳感器數目和種類越來越多，高質量、低成本的汽車電子產品逐漸成為汽車市場競爭的主要手段[1]。基于霍爾原理的傳感器在現代汽車上得到普遍的應用，但是與此同時，由于車輛電子系統的日趨復雜，導致車輛電磁環境也日益復雜[2]。在這種情況下，提高汽車電子元器件的電磁兼容性對于提高車輛的可靠性有著至關重要的作用。經過調查發現，市面上某款轎車所用的霍爾傳感器當其所處的電磁環境十分惡劣時，極端情況下可能導致傳感器發生鎖死失效現象，從而導致車輛發生故障，如圖1所示。信號1在受到干擾時，信號被拉高至某一異常水平并無法自我恢復，我們稱之為傳感器發生鎖死現象。同樣情況下對于信號2來說，雖然其幅值也發生異常，但是可以很快自行恢復到正常水平。信號3抗干擾能力最強，僅僅出現了瞬時的震蕩。為了快速解決這一問題，要求必須在保證接口信息不變的情況下，提高傳感器的抗電磁干擾能力，以最大限度降低損失。

為了達到這一目的，將DFSS的思想運用到該傳感器的優化設計中來，運用DFSS方法論的系統化工作流程和相應工具，重新評估傳感器設計方案，最終通過重新設計傳感器接口電路，提高該傳感器的電磁兼容性能，從而提高整車工作的可靠性和穩定性。DFSS作為一種高效的設計理念和方法，早已被全球各大汽車廠商和零部件供應商所廣泛使用[3]。

1 DFSS介紹

1.1 DFSS的中心思想

DFSS的思想是在滿足客戶需求的前提下，提升系統的穩健性。從客戶需求的角度出發，設定合理的目標，提高產品的穩定性，降低產品成本。

1.2 DFSS的實施流程

按照DFSS的思想，對于一個完整的設計流程，分為如下5個步驟。

1）識別機會（Identify）。為確保任務成功完成而開發計劃。

2）定義要求（Define）。建立一套使客戶滿意的合理的功能指標。

3）開發概念（Development）。建立最好的設計方案，滿足定義要求階段所確定的功能，同時滿足其他的業務指標。

4）優化參數（Optimize）。確定設計方案的設計參數，確保在各種操作條件下有一致的可能。

5）確認驗證（Verify）。確認產品優化設計結果是否達到了客戶需求。通過試驗等手段去驗證設計之初的定義要求及其穩健性和可靠性。

在實際使用過程中，可以根據實際情況，靈活運用其中部分階段對系統進行優化設計。文中充分運用DFSS的思想，對霍爾傳感器電磁兼容性的提高進行了全流程的分析。

2 霍爾傳感器優化設計過程

2.1 識別機會

基于目前市場反饋的故障信息，以及我們通過售后市場跟蹤采集的數據分析來看，該傳感器受到電磁干擾時，在極端情況下會出現傳感器鎖死故障，從而導致該傳感器信號不能真實反映被測量的變化過程，進而導致整車功能異常。這里旨在通過提高傳感器電磁兼容性來提高整車的可靠性。

2.2 定義要求

從客戶的角度出發，準確理解客戶的需求。通常客戶可以分為3類，一是外部客戶，即汽車的使用者、終端客戶，要求車輛行駛平順、可靠，動力充沛；二是內部客戶，也就是企業的質量部、試驗認證部等，要求該產品設計能通過對應的企業標準即電磁兼容性標準，降低故障率；三是政府制度和法規，要求必須通過電子產品抗電磁干擾方面的國家標準。通過試驗，發現該傳感器無法通過企業標準《電器/電子零件與子系統級電磁兼容性能的通用技術規范》中85 V直接電容耦合的傳導抗擾這一項。根據DFSS的思想，該類質量屬于理所應當質量。因此，我們不僅要求保證傳感器各項指標均能通過對應標準，更要求在各種設計方案中尋找最為穩健的設計。同時，在確保傳感器提高電磁兼容性的同時，不能降低傳感器的動態響應特性、重復精度等其他關鍵指標。

2.3 開發概念

根據工作原理分類，目前車輛上所用的傳感器主要有如下幾種：

1）可變電阻式傳感器；

2）電容式傳感器；

3）電感式傳感器；

4）霍爾式傳感器。

根據該項目的特點及整車要求，著重從開發周期、兼容匹配性、成本、耐老化特性、工作溫度范圍、耐振動特性、電磁兼容性、動態響應特性、測量精度和壽命10個方面進行普氏概念選擇。以最為常見的可變電阻式傳感器作為基準進行分析，得到如表1所示的結論。

表1 第一輪普氏選擇結果

根據第一輪的普氏選擇，看起來電感式傳感器具有較大的優勢。為了避免發生弱參照現象，必須對這一結論加以驗證。以這一輪勝出的電感式傳感器為基準進行第二輪的普氏選擇。經過若干輪選擇對比后，最終得到如表2所示結果。

表2 若干輪后普氏選擇結果

因為該車型原來設計所用傳感器即根據霍爾原理設計開發而成，同時霍爾式傳感器在汽車領域應用非常廣泛，工藝成熟，供應商眾多。綜合各輪比較的結果，最終方案確定為依然采用基于霍爾原理的傳感器。根據DFSS思想，希望可以綜合各個方案的優點，取長補短。因此，下一步目標是改進其弱項 ，即電磁兼容性。針對普氏分析結果，經過改進后的霍爾式傳感器具有相當明顯的優勢。如表3所示，設計方案最終確認為霍爾式傳感器。

表3 最終普氏選擇結果

2.4 參數優化設計

確定了采用霍爾式傳感器這一設計方案后，需要對該傳感器的接口電路進行設計優化，以提高其電磁兼容性。該傳感器的接口電路如圖2所示。

在原始設計中，濾波電容CL和濾波電阻Rs都沒有。希望通過優化濾波電容C1、C2、CL和電阻Rs的數值來得到一個最佳的接口電路設計。因此，我們得到該系統的參數圖，如圖3所示。

該系統一共具有4個控制因子，分別為3個濾波電容和1個濾波電阻，每個因子選擇3個控制水平，噪聲因子選擇2個，分別為溫度和老化程度，這樣得到該系統的控制因子和噪聲因子如表4和表5所示。

表4 控制因子選擇

表5 噪聲因子選擇

對應某一種確定的設計方案，在試驗過程中逐漸提高干擾電壓的數值，直到找出導致傳感器發生鎖死現象的臨界電壓值作為該系統的響應。該系統作為一個靜態系統，根據其響應的定義，輸出響應具有望大特性，期望改進后的傳感器能承受的干擾電壓幅值越大越好。

為減少試驗次數，快速選擇最佳的設計參數組合，這里依據正交試驗的方法，選擇L9正交試驗列表，記錄9種控制因子組合情況下的測試結果。如表6所示。

依據測試結果計算出平均能承受的干擾電壓幅值和信噪比，如圖4、圖5所示。

表6 正交試驗結果

綜合抗干擾電壓的平均值和信噪比的分析結果，確定4個控制因子分別為1、2、2、2的組合方案。雖然CL濾波電容和Rs濾波電阻選擇第3個控制水平能少許提高抗干擾電壓平均值和信噪比，但是會影響傳感器的動態響應等其他特性，并且在抗干擾方面，能力提升非常有限。

另外，從試驗結果來看，該設計方案的傳感器已經可以抵抗高達125 V階躍電壓干擾，遠高于《電器/電子零件與子系統級電磁兼容性能的通用技術規范》中85 V的標準。

經過計算，通過優化設計，該傳感器的穩健性提高了1-0.5^（（41.9-29.3）/6）=0.767，即提高了76.7%。

2.5 確認驗證

改進后的傳感器分別通過了對應的企業標準和國家標準，同時通過售后車輛、試驗車輛的實際測試驗證，尚未發現有因為傳感器受到干擾而發生故障的案例。

3 結束語

通過對傳感器接口電路做少許改進設計，極大地提高了傳感器抗高幅值脈沖直流電壓干擾能力。新的設計并沒有更改原有芯片，只是增加了一個濾波電容和一個濾波電阻。同時，物理接口、電氣信號都與原有設計完全兼容匹配。整車驗證結果表明該設計達到了預期的優化目標。

運用DFSS方法論的系統化設計方法及其工具，快速地完成了提高傳感器電磁兼容性的優化設計方案，并且在實際產品使用中得到了驗證。DFSS方法在提高產品穩健性和產品質量、減少開發時間和成本、提高產品開發效率等多方面具有很大的優勢，值得在汽車設計行業內推廣使用。

[1] 朱正禮，杜建福，蘭志波. DFSS在新能源汽車電子產品開發中的應用[J]. 機械設計與制造，2012（2）：285-260.

[2] 金松濤，丁良旭，劉青松．汽車電磁兼容問題研究的重要性[J]. 客車技術與研究，2011（4）：5-9.

[3] 郭峰. 6Sigma設計在汽車設計中的應用[J]. 汽車工程，2006（10）：19-24.

U463.6.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.002

2014-05-30

1002-4581（2014）05-0004-04