1. 概述

　　霍爾效應(yīng)是常用的傳感器感應(yīng)技術(shù)之一，在汽車領(lǐng)域可以用于檢測(cè)速度，角度，位移等。其中速度檢測(cè)通常用差分式霍爾傳感器。

　　速度傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)除需要滿足系統(tǒng)電氣要求外，還需要結(jié)合其實(shí)際使用環(huán)境如目標(biāo)輪齒距，磁場(chǎng)強(qiáng)度，是否需要振動(dòng)抑制算法，轉(zhuǎn)速范圍等。因此要設(shè)計(jì)好一款適合該系統(tǒng)應(yīng)用的傳感器，采集目標(biāo)輪信息是很有必要的。

　　本文介紹如何利用TLE491-5U產(chǎn)品特性進(jìn)行目標(biāo)輪信息采集，通過分析傳感器差分磁場(chǎng)信號(hào)，并結(jié)合傳感器算法來選擇適合應(yīng)用的產(chǎn)品。

　　2. TLE4921-5U介紹

　　TLE4921-5U是基于霍爾原理的差分速度傳感器，具有高靈敏度以及優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和對(duì)稱的閾值以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的占空比，通過測(cè)量磁通量的變化來檢測(cè)目標(biāo)輪的運(yùn)動(dòng)以及參考位置，可用于轉(zhuǎn)速測(cè)量如輪速，變速箱速度，曲軸速度等。

　　如圖1所示，TLE4921-5U主要由電源調(diào)整電路，霍爾探頭，差分放大器，偏差補(bǔ)償濾波器，施密特觸發(fā)器以及集電極開路輸出組成。

　　TLE4921-5U霍爾探頭之間距離2.5mm，差分霍爾探頭檢測(cè)到磁場(chǎng)變化并產(chǎn)生差分信號(hào)，差分信號(hào)包含直流信號(hào)以及交流信號(hào)，差分信號(hào)經(jīng)過高通濾波器及外部電容處理后可以消除直流偏移分量，交流信號(hào)通過比較Bop和Brp來控制開漏極電路的開通和關(guān)閉。

　　圖1： TLE4921-5U系統(tǒng)框圖

　　如圖2是霍爾速度傳感器差分信號(hào)產(chǎn)生及處理示意圖，集成在芯片背面的磁鐵提供傳感器工作需要的恒定磁場(chǎng)，對(duì)于霍爾效應(yīng)傳感器，常用的背磁磁性材料主要有NdFeB，SmCo等稀土材料。當(dāng)兩個(gè)霍爾探頭檢測(cè)到相同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，無論磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱，其差值均為零，此時(shí)差分霍爾傳感器感應(yīng)到的信號(hào)為零。當(dāng)兩個(gè)霍爾探頭檢測(cè)到磁場(chǎng)變化時(shí)，便產(chǎn)生差分信號(hào)。差分信號(hào)幅值受差分磁場(chǎng)強(qiáng)度影響，差分磁場(chǎng)信號(hào)越強(qiáng)，則產(chǎn)生的差分信號(hào)越強(qiáng)，反之越弱。信號(hào)處理過程中，當(dāng)差分信號(hào)超過ΔBrp時(shí)，集電極輸出電路關(guān)斷，此時(shí)輸出端被上拉電阻上拉至電源電壓，輸出為高電平。當(dāng)差分信號(hào)小于ΔBop時(shí)，集電極輸出電路開路，此時(shí)由于集電極內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上拉電阻，輸出端被拉低到地，輸出為低電平。

　　圖2：傳感器信號(hào)產(chǎn)生及處理

　　3．應(yīng)用電路

　　前文已經(jīng)談到在信號(hào)處理過程中，芯片內(nèi)部集成的高通濾波器，利用外部電容，通過一個(gè)時(shí)間常數(shù)后將差分信號(hào)調(diào)整到零點(diǎn)。因此當(dāng)TLE4921-5U作為速度傳感器使用時(shí)，外部濾波電容起到信號(hào)處理作用，電容異常將會(huì)影響到切換閾值，最終影響到數(shù)字輸出信號(hào)。當(dāng)TLE4921-5U用于傳感器差分模擬量信號(hào)采集時(shí)，則不需要使用該濾波電容。

　　如圖3為TLE4921-5U用于采集傳感器差分信號(hào)的應(yīng)用電路，管腳定義從左往右分別為電源，輸出，地以及參考電容端。傳感器1腳電源端和3腳地之間連接12V電源，2腳輸出端懸空，4腳參考電容端不接電容，示波器差分探頭連接參考電容端及地，用于測(cè)量差分信號(hào)。選擇阻抗大于10兆歐姆的差分探頭，同軸電纜盡量短，使用穩(wěn)定可靠電源。

　　圖3：TLE492-5U測(cè)試電路

　　4．?dāng)?shù)據(jù)處理

　　如表1，標(biāo)準(zhǔn)的TLE4921-5U靈敏度為-5mV/mT，在零磁場(chǎng)或者差分磁場(chǎng)ΔB為零時(shí)，直流偏置電壓為2V。示波器測(cè)得的電壓正比于霍爾傳感器感應(yīng)到的差分磁場(chǎng)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)中包含直流分量和交流分量。因?yàn)閭鞲衅骰诓罘衷恚灾绷鞣至亢痛艌?chǎng)偏磁無關(guān)。只有交流信號(hào)才反應(yīng)目標(biāo)輪移動(dòng)。

　　表1：TLE4921-5U 參數(shù)

　　測(cè)試時(shí)建議使用英飛凌標(biāo)定好的TLE4921-5U，以保證芯片靈敏度及直流偏置電壓在標(biāo)稱范圍，從而采集到較理想信號(hào)。測(cè)試時(shí)可以在不同溫度條件（如分成常溫，高溫和低溫）以及不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試目標(biāo)輪在不同氣隙下信號(hào)表現(xiàn)。為了便于分析同一目標(biāo)輪在不同氣隙下表現(xiàn)，可將轉(zhuǎn)速臺(tái)架電機(jī)的觸發(fā)信號(hào)作為示波器信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào)，從而確保采樣信號(hào)都是從同一個(gè)起始點(diǎn)開始采集。信號(hào)采樣時(shí)盡量保證采樣到一個(gè)完整周期的目標(biāo)輪信號(hào)，以確保信號(hào)準(zhǔn)確性。

　　最后將采集到的信號(hào)從示波器中導(dǎo)出到表格中編輯，此時(shí)采集到的是差分霍爾電壓，并且包含直流信號(hào)和交流信號(hào)。處理數(shù)據(jù)時(shí)需要去除掉直流信號(hào)，并將交流霍爾電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分磁場(chǎng)信號(hào)。結(jié)合表1的參數(shù)，假設(shè)差分霍爾電壓為V，則差分磁場(chǎng)信號(hào)：

　　式 4-1

　　通過上述步驟，便可以采集到需要的差分磁場(chǎng)信號(hào)。通過分析差分磁場(chǎng)信號(hào)，我們能夠獲悉目標(biāo)輪信息（如軸向跳動(dòng)，齒距對(duì)信號(hào)影響，加工槽對(duì)信號(hào)影響等），不同氣隙下信號(hào)表現(xiàn)（如最大氣隙，最小氣隙表現(xiàn)等），信號(hào)干擾情況，差分磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度等。

　　5.參數(shù)解釋及磁滯算法介紹

　　在分析數(shù)據(jù)之前，先簡(jiǎn)單介紹下幾個(gè)參數(shù)以及傳感器磁滯算法，以便更好理解傳感器并選擇合適產(chǎn)品。

　　5.1參數(shù)介紹

　　BPre-induction： 是指背磁磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在英飛凌規(guī)格書中，差分式霍爾傳感器可工作在磁場(chǎng)南極或者北極，其背磁磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在-500~500mT，傳感器工作在更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度下不會(huì)造成傳感器的損壞，其背磁磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)直接影響傳感器氣隙表現(xiàn)。

　　ΔBstatic：是指在零磁場(chǎng)強(qiáng)度或者均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度下差分霍爾探頭感應(yīng)到的差分磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)于英飛凌差分霍爾速度傳感器一般要求ΔBstatic 小于30mT，如圖7所示，傳感器芯片里兩個(gè)霍爾探頭距離為2.5mm（TLE4941PlusC為2.0mm以便更好適應(yīng)較小齒距的輪速傳感器應(yīng)用），應(yīng)用時(shí)需滿足ΔBstatic=|Bp1-Bp2|<30mT。如果ΔBstatic大于30mT，可能造成輸出信號(hào)占空比不良。為了減小靜態(tài)差分磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)于背磁感應(yīng)方式，傳感器設(shè)計(jì)時(shí)可在背磁和傳感器之間增加導(dǎo)磁片，這樣可以使得磁場(chǎng)分布更加均勻，從而減小兩個(gè)霍爾探頭之間靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度差異。

　　圖4：靜態(tài)差分磁場(chǎng)

　　ΔBlimit：是指?jìng)鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)能夠正常輸出信號(hào)所需要滿足的最小差分磁場(chǎng)強(qiáng)度。信號(hào)在過零點(diǎn)切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生寄生信號(hào)。為了抑制這些噪聲而不至于輸出錯(cuò)誤信號(hào)，在信號(hào)過零點(diǎn)處增加一個(gè)2*ΔBlimit的磁滯帶，如圖5所示，在這磁滯帶內(nèi)的信號(hào)都會(huì)被當(dāng)做是噪聲而被抑制掉。

　　圖5：噪聲抑制

　　ΔBlimit， early startup：即傳感器啟動(dòng)時(shí)能夠正常輸出信號(hào)所需要滿足的最小差分磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了抑制傳感器啟動(dòng)時(shí)由于振動(dòng)等帶來的噪聲，英飛凌傳感器引入內(nèi)部定義磁滯常數(shù)，稱之為DNC（Digital Noise Constant）。如圖6所示，傳感器啟動(dòng)時(shí)由于振動(dòng)造成一定噪聲干擾，當(dāng)差分信號(hào)幅值小于DNC磁滯常數(shù)會(huì)被當(dāng)做噪聲抑制掉。只有當(dāng)差分磁場(chǎng)信號(hào)超過DNC磁滯時(shí)才會(huì)有信號(hào)輸出。

　　圖6：DNC磁滯概念

　　5.2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(cè)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（Hidden Fixed），VF（Visible Fixed）， HA（Hidden Adaptive），VA（Visible Adaptive）。

　　所謂Hidden磁滯概念，即信號(hào)在過零點(diǎn)處切換。輸入信號(hào)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(hào)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(hào)在額定磁滯帶上切換。對(duì)于齒距較長(zhǎng)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(hào)。

　　圖7是典型的60-2齒的凸輪軸應(yīng)用，在目標(biāo)輪長(zhǎng)槽處，由于差分式霍爾傳感器兩個(gè)霍爾探頭檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度一樣，因此會(huì)有很長(zhǎng)一段差分磁場(chǎng)強(qiáng)度ΔB為0，在信號(hào)處理過程中，如果選用Hidden磁滯算法，容易導(dǎo)致輸出信號(hào)相位抖動(dòng)。而選用Visible磁滯算法，輸出信號(hào)比較穩(wěn)定。

　　圖7：Hidden 和 Visible磁滯比較

　　所謂Adaptive磁滯概念，即其磁滯水平受輸入信號(hào)幅度影響。選用Adaptive磁滯算法，一定程度上能夠起到振動(dòng)抑制作用。

　　所謂Fixed磁滯概念，即磁滯水平為一定值。

　　6.數(shù)據(jù)分析及產(chǎn)品選型

　　將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合傳感器算法以及規(guī)格書中參數(shù)，便可以很容易地從英飛凌霍爾速度傳感器系列中選擇合適的產(chǎn)品。

　　英飛凌傳感器規(guī)格書中并沒有列出傳感器最大允許工作氣隙，這是因?yàn)樽畲蠊ぷ鳉庀稌?huì)受磁場(chǎng)強(qiáng)度，溫度，目標(biāo)輪，轉(zhuǎn)速等因素影響。通過TLE4921-5U可以采集到差分磁場(chǎng)強(qiáng)度ΔB，當(dāng)滿足差分磁場(chǎng)幅值ΔB>ΔBlimit（或者差分磁場(chǎng)峰峰值ΔB>2*ΔBlimit）時(shí)，傳感器才能夠輸出信號(hào)。也就是說當(dāng)差分磁場(chǎng)幅值為ΔBlimit 時(shí)，此時(shí)目標(biāo)輪到傳感器模塊之間距離即為傳感器允許最大工作氣隙。

　　TLE4921-5U能夠真實(shí)反映目標(biāo)輪情況，目標(biāo)輪上加工槽或缺陷等會(huì)影響磁場(chǎng)信號(hào)，可通過選擇帶有振動(dòng)抑制算法的產(chǎn)品以抑制噪聲，確保信號(hào)的準(zhǔn)確性。根據(jù)采集到的噪聲的差分磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值ΔBnoise，結(jié)合傳感器芯片規(guī)格書中參數(shù)，滿足最小差分磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值ΔBlimit>ΔBnoise的芯片可以起到抑制噪聲左右。

　　另外算法方面簡(jiǎn)單地說，如果對(duì)于齒距較小目標(biāo)輪，系統(tǒng)要求相位精度較高，可選擇Hidden磁滯算法。而對(duì)于齒距較長(zhǎng)目標(biāo)輪，為了保證比較穩(wěn)定的輸出信號(hào)，可以選擇Visible磁滯算法。對(duì)于振動(dòng)環(huán)境比較惡劣需要傳感器有增強(qiáng)的振動(dòng)抑制算法時(shí)，可以選擇Adaptive磁滯算法，如果信號(hào)幅值跳動(dòng)比較大需要獲得較穩(wěn)定輸出，可以選擇Fixed磁滯算法。

　　作者：英飛凌科技（中國(guó)）有限公司傳感器系統(tǒng)應(yīng)用工程師何喜富

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《傳感技術(shù)特刊》7月刊

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