霍爾傳感器在濕式DCT上的應用與研究

朱 倩，李曉波，劉學武，鄧云飛

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

霍爾傳感器是濕式雙離合自動變速器 （DCT）控制系統的關鍵部件。將傳感器安裝在變速器中，測量變速器運行過程中相關部件的工作狀態，并將它們轉為自動變速器控制單元 （TCU）可處理的電信號，TCU進而可對相關執行元件進行適時控制?；魻杺鞲衅骶哂薪Y構簡單、體積小、無觸點、可靠性高、溫度性能好、壽命長、耐沖擊等優點［1］，適用于運行環境多變的自動變速器中。齒輪轉速信號和撥叉位置信號對濕式DCT的換擋品質和安全性起著極其重要的作用，采用霍爾傳感器可以提高信號的穩定性和精度。

1 霍爾傳感器原理

1.1 霍爾效應原理

霍爾傳感器是一種利用半導體材料霍爾效應［2］進行測量的磁敏式傳感器。霍爾效應是指在一個矩形半導體薄片上有一電流通過，此時如有一磁場也作用于該半導體材料上，則垂直于電流方向的半導體兩端會產生一個很小的電壓，該電壓就稱為霍爾電壓。

霍爾效應原理如圖1所示。圖1中采用N型半導體薄片，N型半導體的載流子為電子。半導體薄片通以電流I，并垂直施加磁場B，半導體中電子將沿電流相反方向運動，電子在磁場中受到洛倫茲力fL的作用，并發生偏移，使半導體薄板一側形成電子累積，對應另一側形成正電荷累積，于是半導體該兩側形成電場E。電子在電場E中受到電場力fE的作用，電場力fE與洛倫茲力fL方向相反，因此，電場E將阻止電子繼續向側面偏轉。當電子所受電場力fE與洛倫茲力fL相等時，電子在側面的累積達到動態平衡，此時，半導體兩側之間建立的電場E為霍爾電場EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。

圖1 霍爾效應原理

半導體寬度為W，厚度為d，當電子所受電場力fE與洛倫茲力fL相等時有fE=fL，其中fL=qvB、fE=qEH=qUH／W，則

設半導體中電子濃度為n，電流I為I=nqvWd，則電子的平均速率為

其中針對同一半導體薄片，電子電荷量q、電子濃度n、厚度d為定值，若半導體通過的電流I為恒定值，則霍爾電勢UH與磁場強度B成正比。

1.2 霍爾傳感器工作原理

濕式雙離合變速器中的霍爾位置傳感器和霍爾轉速傳感器便是利用霍爾效應原理制成，將位移、轉速變化量轉化為磁場強度變化量進行測量，磁場強度變化量通過電信號形式傳感出來，達到自動測量與控制的目的。

霍爾傳感器一般由霍爾片、放大器、電源等組成［3］?；魻柶淖饔檬歉鶕魻栃獙⒋判源笮∞D換成輸出電壓值；霍爾片輸出的霍爾電壓較小，一般在毫伏級，不方便測量，因此通過放大器將霍爾電壓放大以滿足測量要求

齒輪轉速信號和撥叉位置信號對濕式DCT的換擋品質和安全性起著極其重要的作用，而霍爾傳感器中霍爾片輸出的信號為模擬信號，在搭載DCT的車輛中，模擬信號由傳感器輸出端傳遞到TCU輸入端過程中，容易受到外界和車輛內部通信系統的各種噪聲干擾，使TCU接收到的擋位信號不精準，影響換擋性能。因此，在DCT使用的霍爾傳感器芯片中還需添加A／D數據處理器，使傳感器輸入到TCU的為數字信號，提高轉速和位置信號在傳遞過程中的抗干擾能力和精確度。

2 霍爾位置傳感器在濕式DCT上的應用

2.1 霍爾位置傳感器在濕式DCT上的布置

霍爾位置傳感器在濕式DCT中，主要用來測量撥叉位置信號，通過將撥叉位置信號傳遞給TCU，并根據駕駛需求，控制各撥叉的移速和移向。某款7速濕式DCT，霍爾位置傳感器的布置如圖2所示。傳感器的外殼和芯片固定在閥板上，1號撥叉、2號撥叉、3號撥叉、4號擋撥叉嵌套在輸出軸上的同步器，同步器可以使擋位齒輪帶動輸出軸同步轉動。

圖2 霍爾位置傳感器布置圖

變速器通過控制4個撥叉的位置來實現轉速由輸入軸傳遞到輸出軸，輸入軸的主動齒輪和輸出軸從動齒輪的嚙合路線實現8個減速比，從而實現7個前進擋和一個倒擋。

2.2 霍爾位置傳感器在濕式DCT中測量方式

霍爾位置傳感器測量方式如圖3所示。撥叉伸出桿下端安裝磁鐵托架，磁鐵托架中對稱放置2個小磁鐵，2個小磁鐵產生的磁場可以對應較長的位置測量，磁鐵磁場分布穩定，傳感器中集成了霍爾片和相應的數據處理芯片。

如圖3a所示，撥叉安裝到變速器的初始位置為2個擋位齒輪的中間位置，傳感器霍爾片的中心位置對應磁鐵中心位置，將初始位置設置為0，TCU控制撥叉在輸出軸軸向移動范圍為：正向移動0～10 mm、反向移動0～-10 mm，-10 mm和10 mm位置點為撥叉帶動同步器與相應擋位齒輪結合點。

如圖3b所示，撥叉在軸向移動時，霍爾片處于相對磁鐵不同位置，使霍爾片受到的磁場強度不同，根據式 （3），當霍爾片通過穩定的電流I時，根據霍爾片的輸出電壓UH，可以算出磁場強度，進而換算出霍爾片的位置。

圖3 霍爾位置傳感器測量方式

2.3 霍爾位置傳感器與TCU的匹配

2.3.1 位置傳感器輸出信號處理方式

霍爾位置傳感器由霍爾片、放大器、恒定電源及A／D數據處理器等組成，恒定電源使通過霍爾片的控制電流不變，A／D數據處理器主要將放大后的霍爾電壓信號轉化為PWM信號，并控制PWM信號是一種頻率不變、高電平幅度不變、高電平寬度可變的方波信號。A／D數據處理器將不同的電壓值轉化為不同占空比的PWM信號，占空比［4］是PWM信號中方波高電平寬度跟周期的比例值，圖4表示占空比分別為50%和20%的PWM信號。

圖4 不同占空比PWM信號

霍爾片與磁鐵的相對位置使撥叉位置與磁場強度呈線性關系，根據式 （3）磁場強度與輸出電壓呈線性關系，并且傳感器A／D數據處理器使輸出電壓與傳感器輸出PWM信號的占空比呈線性關系，因此撥叉位置與傳感器輸出PWM信號的占空比呈線性關系，如圖5所示。初始位置0對應占空比50% （圖4a），結合點-10 mm和10 mm對應占空比20%（圖4b）和80%。位置傳感器的輸出PWM信號傳遞給TCU后，TCU通過計算信號占空比，可以獲得撥叉當前位置信號，從而控制撥叉的移動狀態，位置傳感器不斷反饋當前撥叉位置信號給TCU，從而確保正確擋位的結合和有效減少擋位結合的沖擊力，提高變速器的換擋性能和整車駕駛的安全性。

圖5 撥叉位置與PWM信號占空比關系

2.3.2 位置傳感器硬件接口電路匹配

位置傳感器與TCU的接口一般采用三線電壓式，如圖6所示。傳感器與TCU之間有電源線、信號線、搭鐵線3根連接線；傳感器輸出為電壓信號，TCU端通過下拉較大電阻（10 kΩ）和較小電容 （20 nF），組成低通濾波電路，可以消除傳感器輸出信號中的高頻噪聲，提高電壓信號傳遞過程的準確性和精度。

位置傳感器布置在液壓閥板上，實際使用時會浸入變速器油中，且在-40～150℃范圍內能正常工作，位置傳感器的關鍵電氣性能指標要求如表1所示，根據TCU需求位置信號輸出PDM頻率可設置為250～1000 Hz，PWM信號的脈沖寬度隨撥叉位置變化，傳感器可測位置范圍需要大于變速器撥叉的移動范圍 （-10～10 mm），可設置為 （-12～12 mm）。

圖6 位置傳感器與TCU接口電路

表1 位置傳感器關鍵電氣性能指標

3 霍爾轉速傳感器在濕式DCT上的應用

3.1 霍爾轉速傳感器在濕式DCT上布置

在濕式DCT中，發動機的輸入轉速傳遞到雙離合器，通過結合相應的離合器將轉速傳遞到外輸入軸或內輸入軸，再通過控制撥叉掛上相應擋位，最終將轉速傳遞到車輪。圖7為某7速濕式DCT離合器輸出轉速傳感器的布置，傳感器外殼和芯片固定在閥板上，傳感器感應面對應外輸入軸和內輸入軸上固連的感應齒輪。

圖7 離合器輸出轉速傳感器布置圖

變速器輸出轉速傳感器的布置如圖8所示，傳感器外殼和芯片固定在殼體上，傳感器感應面對應駐車棘輪，發動機轉速由離合器傳遞到變速器輸入軸，再傳遞到輸出軸，輸出軸傳遞到差速器，差速器的輸出端便將轉速傳遞到車輪，差速器也將轉速傳遞到駐車軸，因此，測量與駐車軸固連的駐車棘輪轉速，可以反映變速器輸出轉速信號。

此外，變速器輸入軸只有一個轉向，因此離合器輸出轉速傳感器不帶方向檢測；而變速器輸出轉速傳感器帶方向檢測，需檢測倒擋輸出狀態。

圖8 變速器輸出轉速傳感器布置圖

3.2 霍爾轉速傳感器在濕式DCT中測量方式

3.2.1 轉速測量方式

霍爾轉速傳感器測量方式如圖9所示。傳感器中霍爾片中心位置對應感應齒輪可測范圍中心位置，將永磁鐵固定在霍爾片背面中心位置，磁鐵可以產生穩定的磁場，磁鐵的磁場線穿過霍爾片傳遞到齒輪，而齒輪材料一般為鋼，鋼靠近磁鐵時會影響磁場分布。

如圖9a所示，齒輪的一個齒和霍爾片正相對時，此時穿過霍爾片的磁力線集中，磁場強度較強，霍爾電動勢較大；如圖9b所示，齒輪的兩個齒中間和霍爾元件正對時，此時穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場強度較弱，輸出的霍爾電動勢較小。因此，在齒輪轉動過程中，磁鐵在霍爾片上產生的磁場強度發生強弱變化，類似正弦變化曲線，根據式 （3），霍爾片輸出電壓UH波形也呈正弦變化，該正弦波的一個周期與齒輪的一個齒對應，根據輸出波形的周期和齒數可以換算出齒輪轉速。

在濕式DCT中，離合器輸出轉速傳感器的測量一般采用差分霍爾傳感器［5］。差分霍爾轉速傳感器使用2個對稱布置的霍爾片，2個霍爾片產生的電壓相位相反，經差分放大后，不僅使傳感器靈敏度大為提升，也可消除2個霍爾片同源的干擾信號，這種差分霍爾傳感器適用于干擾信號較多的汽車中。

圖9 霍爾轉速傳感器測量方式

3.2.2 帶方向判斷轉速傳感器測量方式

變速器輸出轉速傳感器采用差分霍爾傳感器，并帶方向檢測，需要3個霍爾片進行測量，測量方式如圖10所示，霍爾片A和霍爾片B輸出差分信號，用于檢測轉速，即轉速信號為ΔUS=UA-UB，霍爾片C的輸出用于判斷方向，霍爾片C放置在霍爾片A和霍爾片B中間位置，即方向信號為ΔUD=UC-（UA+UB）／2，并且霍爾片C輸出信號與霍爾片A或霍爾片B輸出信號相位差90°。

圖10 帶方向轉速測量方式

如圖10所示，當齒輪順時針轉動時，齒輪中同一齒頂先靠近霍爾片A，再靠近霍爾片C，最后靠近霍爾片B，3塊霍爾片信號如圖11所示?；魻柶珺的輸出信號比霍爾片A滯后180°，差分放大處理獲得轉速信號ΔUS，霍爾片C的輸出信號轉換為與轉速信號ΔUS同偏距的方向信號ΔUD，方向信號ΔUD比轉速信號ΔUS滯后90°；同理，當齒輪逆時針轉動時，方向信號ΔUD比轉速信號ΔUS超前90°，通過判斷方向信號ΔUD和轉速信號ΔUS信號相位差，即可判斷齒輪轉向［6］。

圖11 3塊霍爾片信號變化及處理

3.3 霍爾轉速傳感器與TCU的匹配

3.3.1 轉速傳感器輸出信號處理方式

對于不帶方向檢測的離合器輸出轉速傳感器，轉速信號ΔUS經A／D數據處理器處理后，傳感器輸出信號UO是一個頻率隨正弦波頻率變化的方波信號，如圖12所示。TCU接收到反饋轉速的方波信號UO，根據方波信號的頻率和感應齒輪的齒數，可以計算出齒輪的轉速，即對應輸入軸的轉速。

對于帶方向檢測的變速器輸出轉速傳感器，傳感器芯片中還需有相位差判斷電路，方向信號ΔUD經相位差判斷電路處理確定齒輪的轉向，A／D數據處理器將轉速信號ΔUS轉換為脈沖寬度不變、頻率隨轉速信號變化的脈沖信號，齒輪順時針和逆時針轉動時對應的脈沖寬度不同，輸出信號如圖13所示。信號輸入到TCU時，TCU通過計算脈沖信號的脈沖寬度可以判斷齒輪的轉向，根據脈沖信號的頻率和感應齒輪的齒數，可以計算出齒輪的轉速，即對應變速器輸出轉速。

圖12 轉速正弦信號轉為方波信號

圖13 不同轉向方波信號

3.3.2 轉速傳感器硬件接口電路匹配

轉速傳感器與TCU的接口采用兩線電流式，如圖14所示［7］。傳感器與TCU之間有電源線、信號線2根連接線；傳感器輸出為電流信號，不同于位置傳感器，TCU端通過下拉較小電阻 （可選取150 Ω），將電流信號轉化為TCU中單片機可識別的電壓信號，下拉較小電容 （可選取1 nF）實現濾波、穩定信號作用。

變速器的工作極限溫度為-40～150℃，轉速傳感器該溫度范圍內能正常工作，轉速傳感器關鍵電氣性能指標如表2所示，轉速測試范圍為0～8500 r／min；傳感器的輸出信號（低信號6 mA，高信號14 mA），通過下拉電阻150 Ω轉化為電壓信號 （低信號0.9V，高信號2.1 V）；轉速輸出信號高信號寬度為60 μs時，可判斷齒輪為順時針轉動，轉速輸出信號高信號寬度為120 μs時，判斷齒輪為逆時針轉動。

圖14 轉速傳感器與TCU接口電路

表2 轉速傳感器關鍵電氣性能指標

4 結論

本文根據濕式雙離合自動變速器的運行方式和結構特性，結合霍爾傳感器的霍爾效應原理，分析了霍爾傳感器測量濕式DCT轉速和位置等基礎信號的工作原理，提出了傳感器在變速器中的布置方式和測試方法，同時分析了霍爾傳感器與TCU的匹配與應用。本文針對霍爾傳感器在濕式DCT上的應用研究，可為濕式DCT的研發提供參考，有助于提高國內自研DCT的使用性能，為濕式雙離合自動變速器傳感器的應用提供理論基礎。