一種通用3D霍爾傳感器標定系統的設計

摘要：基于3D霍爾磁位置檢測芯片MLX90333，并根據設計電控手柄時所涉及的幾個重要結構參數，如磁鋼幾何尺寸（直徑和厚度）、磁鋼至旋轉中心的距離（旋轉半徑）、磁鋼至芯片的距離等，設計了一種通用的可模仿一般電控手柄運作機理的3D霍爾傳感器標定系統。利用本系統配合MLX90333的標定工具，對芯片的輸出電壓進行采集，分析輸出電壓與旋轉角度的對應關系，驗證了標定系統的可行性與可靠性。進一步地，基于本系統，采用對照實驗的方法，設立多個變量控制組，研究了磁鋼的幾何尺寸與芯片集磁中心磁感應強度以及芯片增益三者之間的關系。此外，還研究了磁鋼的幾何尺寸、旋轉半徑和磁鋼至芯片的距離對傳感器標定曲線的影響，得出了設計電控手柄時可作為參考的一些結論。

關鍵詞：電控手柄；霍爾傳感器；標定系統；標定曲線

中圖分類號：TP212""""""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.009

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0059-07

Design of a General 3D Hall Sensor Calibration System

Abstract：In this paper， based on the MLX90333 of 3D Hall magnetic position detection chip， and according to several important structural parameters involved in the design of the electric control handle， such as the geometric size of the magnetic steel （diameter and thickness）， the distance from the magnetic steel to the center of rotation （rotation radius）， the distance from the magnetic steel to the chip， etc.， a general 3D Hall sensor calibration system that can imitate the operation mechanism of the general electronic control handle is designed. The calibration tool of the MLX90333 with the system is used to collect the output voltage of the chip， and the correspondence between the output voltage and the rotation angle is analyzed， and the feasibility and reliability of the calibration system are verified. Furthermore， based on this system， a control experiment was used to set up a number of variable control groups， and the relationship between the geometric size of the magnet， the magnetic induction intensity of the magnetic center of the chip set and the chip gain was studied. In addition， the influence of the geometric size， rotation radius and distance from the magnet to the chip on the calibration curve of the sensor is also studied， and some conclusions that can be used as a reference when designing the electronic control handle are also obtained.

Key words：electronic control handle；Hall sensor；calibration system；calibration curve

當前，3D霍爾電控手柄在工程控制領域得到廣泛應用。國外在這一領域發展起步較早，產品豐富，技術成熟。國內一些企業也在全力追趕，但由于電控手柄的性能涉及多個設計變量的優化與整合，極大地增加了研發過程的復雜性和繁瑣性，設計周期隨之變長，導致國內這一領域的發展較為緩慢。電控手柄的結構優化是相當繁瑣的，此類產品的研發周期往往受制于這個優化過程。如何更加快速地實現手柄機械結構的優化是一個亟待解決的問題。

近些年來，國內外工程機械領域的學者或工程師也相繼提出了各種優化方法。例如，Anna Ermakova等[1]搭建了數學分析模型，對磁鋼到旋轉中心的距離、磁鋼與芯片之間的氣隙，磁鋼的幾何形狀及磁場強度等參數進行優化和分析，并驗證了該分析模型的合理性與可行性。李銳等[2]利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件進行有限元仿真，得到芯片輸出線性變化趨勢與磁鋼直徑的關系。韓玉萌等[3]在設定磁鋼與芯片的配合距離后，利用Microna_Simulator對霍爾傳感器線性度進行仿真，驗證了其所設計的傳感器的性能。薛啟鑫等[4-5]利用ANSYS有限元軟件對磁鋼的幾何尺寸及磁場強度進行了仿真和優化。

前述對霍爾傳感器的設計與標定，多采用仿真的方法。但是，利用仿真難以確定電控手柄的敏感度、線性范圍、抗干擾性能等技術指標[6-7]。在產品研發過程中，多采用原型測試的方法來調整相關參數以保證電控手柄的性能符合要求。然而，對于不同的電控手柄結構尺寸和擺動角度，所需磁鋼的幾何形狀和磁場強度差異也較大，常常需要進行大量的選配實驗，延長了研發成本和研發周期[8]。

對此，需要一種通用型電控手柄模型，即在運作機理上與電控手柄相同，且可調節多個關鍵參數的裝置。基于此目的，本文設計了一套標定系統，極大了提高電控手柄的設計效率，降低了研發的周期和制造樣品的成本。

1 標定系統的方案設計

首先，搭建一個可調的包含萬向節的四自由度電控手柄標定實驗臺[9-12]；其次設計本實驗臺的硬件控制電路，并進行PCB制板；再者，設計程序，并燒寫至PCB板的主控MCU以控制實驗臺的各部件的運作；最后，利用本實驗臺和Melexis公司提供的3D霍爾芯片編程器對芯片進行標定，以確定磁鋼的型號和電控手柄結構的各個關鍵參數。

標定裝置模型如圖1所示，其機械部件由步進電機和高精度數字舵機驅動。舵機1驅動旋轉軸X旋轉，舵機2驅動旋轉軸Y旋轉。手動微調旋轉軸Z，可調整磁鋼沿Z軸方向上下移動。升降臺與撥叉通過螺絲聯結在一起，撥叉與絲桿是螺紋副配合，絲桿通過聯軸器與步進電機的輸出軸進行聯結，當步進電機旋轉一定角度時，絲桿旋轉亦跟著旋轉同樣的角度，通過螺紋副將角度轉化為升降臺的位移，因此升降臺可沿Z軸方向上下移動[6，13]。

此外，基座上安裝有限位開關，可確定升降臺的零點位置，進而實現了升降臺的在Z軸上的位置可控。

標定裝置簡化模型如圖2所示。h、d決定著磁鋼的磁場強度和磁力線分布。

2 系統硬件的運作機制

硬件組成如圖3所示，整個硬件系統主要由四個部分組成，分別是電源模塊、驅動模塊、控制器模塊、傳感器模塊[14-15]。

電源模塊由220 V轉12 V的開關電源、12 V轉5 V的開關電源和5 V轉3.3 V的LDO線性電源組成。12 V的電源用于為步進電機驅動器提供足夠大的功率；5 V的電源用于為舵機驅動器提供足夠的電流；3.3 V的線性電源用于控制器的供電。

微控制器模塊由MCU及其最小系統構成。用于向驅動器模塊輸出控制信號、采集傳感器模塊的信號以及將數據上傳至PC端。

驅動模塊由舵機驅動器和步進電機驅動器組成。X、Y軸控制原理如圖4所示，微控制器向舵機驅動器輸入兩路PWM，舵機驅動器將兩路PWM電平放大后，分別傳輸至舵機1和舵機2，舵機1控制旋轉軸X旋轉一定角度α，舵機2控制旋轉軸Y旋轉一定角度β。Z軸控制原理如圖5所示，微控制器向步進電機驅動器輸入三個控制信號，包括控制啟動與停機的使能電平、控制方向的電平和控制轉速的脈沖信號，進而驅動升降臺。旋轉Z通過手動微調，聯合升降臺一同控制磁鋼與芯片的配合距離S。

傳感器模塊采用的3D霍爾磁位置傳感器芯片為MLX90333，該芯片由Melexis研發，其KDC-BCT型號適用于-40°～125°的溫度范圍，具有模擬電壓輸出、PWM輸出、SPI通信三種輸出模式，其功能及性能足以滿足一般工程機械的需求。

3 標定流程

標定設備為Melexis公司提供的型號為PTC04的用戶端MLX系列芯片編程器，其具有標定、輸出模式選擇和輸出信號測量等功能。且可將數據上傳至PC端，利用與其配套使用的測試軟件可方便地進行標定和測試。具體流程如下：

（1）根據所設計的機械結構，確定擺動角度α和β，旋轉半徑R，磁鋼的厚度h和直徑d，磁鋼底部與芯片頂部的距離S。

（2）調整Z軸以設定參數R，調整旋轉軸X以設定沿X軸的旋轉角度α，調整旋轉軸Y以設定沿Y軸的旋轉角度β。

（3）調整升降臺的位置以設定霍爾芯片頂部與磁鋼底部的距離S。

（4）將芯片的輸入輸出端與編程器PTC04的端口對應相連，使電控手柄處于中位，即磁鋼正對芯片的集磁點，設置增益，并判斷增益是否處在區間[10，35]。若增益小于10，則更換磁場強度較弱的磁鋼；若增益大于35，則更換磁場強度較強的磁鋼；若無以上兩種情況，則開始標定，先校準中位，再標定四邊。

（5）觀察標定曲線的傾斜程度。若斜坡段過緩，則更換磁場較弱的磁鋼；斜坡段過陡，則更換磁場較強的磁鋼；然后重復步驟（2）～（4），若無上述兩種情況，則完成標定。

（6）完成步驟（5），測量輸出結果是否符合預期，若不符合，則調整電控手柄的機械結構，并重復步驟（1）～（5）。

4 標定實驗及結果分析

將標定實驗的磁鋼分成三組，即A組、B組和C組。A組磁鋼直徑為5 mm，厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm，分別用代號A1、A2、A3表示；B組磁鋼厚度為3 mm，直徑分別為3 mm、4 mm、5 mm，分別用代號B1、B2、B3表示；C組磁鋼直徑為6 mm，厚度分別為3 mm、4 mm、5 mm，分別用代號C1、C2、C3表示。磁鋼牌號為N35，材料為釹鐵硼。由于X軸和Y軸相互獨立且雷同，因此以Y軸為例，設定實驗參數β＝25°。本實驗設定四個變量控制組，具體為：

（1）變量控制組1：配合距離不變，旋轉半徑不變，直徑不變，改變磁鋼厚度；

（2）變量控制組2：配合距離不變，旋轉半徑不變，厚度不變，改變磁鋼直徑；

（3）變量控制組3：旋轉半徑不變，直徑不變，厚度不變，改變配合距離；

（4）變量控制組4：配合距離不變，直徑不變，厚度不變，改變旋轉半徑。

首先，利用A組的A1號磁鋼進行標定試驗，以檢驗標定系統的準確性，標定完成后，對芯片上電，并對其輸出進行每隔10°采樣，循環5次，設所測得電壓為Unm，其中n∈[1，5]、m∈[-25°，25°]。其電壓輸出特性如圖6所示，5次采集的電壓值擬合的電壓輸出曲線基本重合。特定角度位置的電壓誤差如圖7所示，Er21表示第二次對第一次的誤差，即Er21＝U2m－U1m，Er31表示第三次對第一次的誤差，即Er31＝U3m－U1m，以此類推。

在圖7中，最大誤差Er不超過0.045 V。各大廠商，如DANFOSS、GESSMANN、APEM等提供的工業控制電控手柄的位置重復精度為±0.1 V，因此本標定系統的精度是可行的。

4.1 變量控制組1

圖8為無折點的標定曲線，Y軸標定曲線以中點（100）為分界點，分為起點（50）～中點（100）段和中點（100）～終點（150）段。設芯片集磁點檢測到的磁場矢量與集磁點坐標

軸Y軸的夾角為，設為Y軸上左標定點的輸出夾角，左標定點對應最大輸出電壓，其值為100%；設為中位標定點的輸出夾角，右標定點對應最小輸出電壓，其值為0%；設為右標定點的輸出夾角，右標定點對應中

位輸出電壓，其值為50%。為描述兩段標定曲線的斜率，設如下公式：

式中：為中點（100）～終點（150）段的斜率；為起點（50）～中點（100）段的斜率；為這兩段的斜率之差。

如圖9所示，當兩段的斜率差≥0.1，

兩段曲線就會在中點處發生轉折，會嚴重影響電控手柄擺至中位時輸出電壓的準確性和整個電壓輸出特性曲線的線性。

設配合距離為6.8 mm，旋轉半徑為10 mm，選用A組磁鋼進行標定試驗。磁場強度、增益與磁鋼厚度的關系如圖10所示，反映了芯片檢測的磁場強度與其自動計算的增益隨磁鋼厚度變化而變化的趨勢。在圖10中，隨著磁鋼厚度的增加，磁場強度不斷增強，而芯片自動計算的增益不斷減小。

兩標定曲線的斜率與磁鋼厚度的關系如圖11所示，兩段的斜率差最大為0.04，這表明A組磁鋼不會導致芯片輸出結果出現前述不良情況。此外，曲線也表明，線性最好的磁鋼厚度在2 mm附近、3.5 mm和4.5 mm附近。

4.2 變量控制組2

設定配合距離為6.8 mm，旋轉半徑為10 mm，選用B組磁鋼和C組的C1號磁鋼進行標定試驗。芯片檢測的磁場強度與增益隨磁鋼直徑變化而變化的趨勢如圖12所示，兩段標定曲線的斜率變化如圖13所示。在圖12中隨著磁鋼直徑的增加，磁場強度不斷增強，而芯片自動計算的增益不斷減小。在圖13中，兩段的斜率差最大為0.03，這表明B組磁鋼和C組的C1號磁鋼不會導致電壓輸出特性曲線的線性變差。此外，曲線也表明，線性最好的磁鋼直徑在3.25 mm附近和6 mm附近。

4.3 變量控制組3

設定旋轉半徑為10 mm，選用C組的C1號磁鋼進行標定試驗。增益的隨距離變化的趨勢如圖14所示，隨著配合距離的增大，增益也在增大，表明芯片檢測到的磁場強度在減小。

兩段標定曲線的斜率變化如圖15所示，兩段曲線的斜率差最大為0.025，這表明增大配合距離不會導致電壓輸出特性曲線的線性變差。此外，隨著配合距離的增大，曲線的斜率也增大，有利于提高靈敏度。

4.4 變量控制組4

設定配合距離為6.8 mm，選用C組的C1號磁鋼進行標定試驗。標定曲線的斜率變化如圖16所示，標定曲線的斜率隨著旋轉半徑R的減小而呈現出增大的趨勢，當旋轉半徑R為6 mm時，起點至中點和中點至終點兩段的曲線斜率差值大于0.1，兩段曲線在中點處出現轉折，如圖17所示。

通過以上實驗，可得出如下結論：

（1）配合距離不變，旋轉半徑不變，增大磁鋼厚度，增益變小，標定曲線變緩；

（2）配合距離不變，旋轉半徑不變，增大磁鋼直徑，增益變小，標定曲線變緩；

（3）旋轉半徑不變，減少配合距離，增益變小，標定曲線變緩；

（4）旋轉半徑不變，增大配合距離，增益變大，標定曲線變陡；

（5）配合距離不變，增大旋轉半徑，增益不變，標定曲線變緩；

（6）配合距離不變，減小旋轉半徑，增益不變，標定曲線變陡；

（7）當旋轉半徑過小，磁場強度偏強，就會在標定中點出現轉折，線性變差，且折點處較為敏感，不穩定；

（8）曲線越陡，越靈敏，抗振動干擾越弱；曲線越緩，越穩定，抗振動干擾越強。

5 結語

在設計并搭建3D霍爾傳感器標定系統后，在對其精度進行了驗證。在此前提下，設計了多組對照組，做了大量標定實驗，明確了電控手柄設計的多個關鍵參數之間的相互關系，并得出它們對標定曲線的影響，進一步驗證了本系統的可行性和靈活性。利用標定系統進行電控手柄相關參數的優化，可大幅節省研發成本和時間，為今后同類產品的設計分析提供便利和參考。

參考文獻：

[1]Anna Ermakova，Marcelo Ribeiro. Dietmar Spitzer， and Michael Ortner. Analytical Development of a Four-Axis Magnetic Multimedia Control Element[J]. IEEE SENSORS JOURNAL，2018，18（19）：7819-7825.

[2]李銳，朱培化. 霍爾手柄磁鐵選型與線性誤差仿真分析[J]. 起重運輸機械，2023（1）：46-50.

[3]韓玉萌，韓嘉驊. 一種角度傳感器的結構設計與性能驗證[J]. 機械，2023，50（3）：47-54.

[4]薛啟鑫. 基于3D霍爾技術的新型擋位傳感器開發和設計[D]. 上海：同濟大學，2018.

[5]陳詩云. 轎車3D霍爾排擋系統的研究[D]. 上海：同濟大學， 2018.

[6]王志濤，安琪，韓旭. 電控技術在內燃機中的應用證[J]. 內燃機工程，2023，44（2）：110.

[7]杜宇軒，魏榕山. 一種新型3D霍爾搖桿及機械臂系統設計[J]. 傳感器與微系統，2020，39（3）：102-105.

[8]劉闖. 操縱桿角位移測量裝置的設計[J]. 機械，2021，48（1）：67-74.

[9]王夢杰，韓嘉驊. 一種適用于海洋平臺的電控手柄的結構設計[J]. 機械，2024，51（3）：59-64.

[10]史文欣，韓嘉驊，韓富. 操作桿順序控制及自鎖機構以及檔位操縱機構：CN201510646288.4[P]. 2018-10-12.

[11]姜煒. 裝載機手柄轉向系統的研究和應用[J]. 內燃機與配件，2018（11）：41-43.

[12]韓嘉驊，徐令奇. 一種海洋平臺的操作手柄機構：CN202010179841.9[P]. 2020-07-03.

[13]孟志華. 一種通用化3D霍爾傳感器調試裝置：CN202010480096.1[P]. 2023-06-06.

[14]朱俊翔，可配置工程機械控制器的設計與實現[D]. 南京：南京理工大學，2013.

[15]鄒梅，王培元，張華. 基于3D霍爾傳感的搖桿手柄系統設計[J]. 科學技術創新，2019（35）：40-42.