陳科球，劉彭義

(暨南大學(xué) 物理系 思源實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632)

油門控制器是汽車的重要配件之一，它主要由油門踏板、踏板位移傳感器、油門電控單元（ECU）、數(shù)據(jù)總線和執(zhí)行器組成[1]。目前使用的大部分都是電子油門，它通過檢測(cè)油門踏板踩下的角度，產(chǎn)生兩組電壓信號(hào)傳送給ECU,ECU對(duì)該信息和其他系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，通過線路送到伺服電動(dòng)機(jī)繼電器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制車輛的行駛速度?，F(xiàn)行的汽車油門踏板所使用的傳感器均采用碳膜接觸式結(jié)構(gòu)，通過觸點(diǎn)在碳膜上滑動(dòng)來改變阻值，時(shí)間久了存在磨損、接觸不良、不回位等安全隱患。而采用MLX90316設(shè)計(jì)的汽車油門腳踏板除了具有靈敏度高、體積小的優(yōu)點(diǎn)外，更因其非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)而具有無磨損、壽命長(zhǎng)、抗惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 MLX90316芯片介紹

Melexis公司的MLX90316芯片是一款線性霍爾傳感器[2]，可輸出與芯片表面平行磁場(chǎng)的角度位置信息。該傳感器采用三軸霍爾技術(shù)，在芯片上方放置一個(gè)圓盤形磁集中器（IMC），將平行作用于芯片表面的磁場(chǎng)集中起來，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量，通過兩對(duì)位于IMC下方的相互垂直的平面霍爾元件檢測(cè)平行于芯片表面的磁通密度[3]。兩對(duì)霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X和Y方向)。這樣兩對(duì)霍爾元件輸出的正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)(VX和VY)可以將實(shí)際角度編碼為兩個(gè)相位差為90°的正弦信號(hào)（cos和 sin信號(hào)），VX和 VY經(jīng)多路復(fù)用器選通放大，再由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。芯片內(nèi)置的 16位 DSP對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，最后的輸出信號(hào)可以在0～5 V模擬方式、PWM模式以及串口通信方式（SPI）中選擇，輸出曲線是完全可以編程的（例如，偏移值、增益、鉗位電平等參數(shù)都可編程）。其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 MLX90316汽車油門踏板檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 霍爾芯片的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 MLX90316霍爾傳感器檢測(cè)原理

采用MLX90316角度傳感器設(shè)計(jì)汽車油門踏板檢測(cè)系統(tǒng)。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉(zhuǎn)軸內(nèi)，替代現(xiàn)在的碳膜結(jié)構(gòu)，硬件工作原理及實(shí)物如圖2所示。在芯片上方放置的圓盤形永磁鐵與油門腳踏板連接，當(dāng)踩下踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)圓盤形磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，被MLX90316表面的IMC收集，并在其邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量，由霍爾傳感器檢測(cè)。為方便實(shí)驗(yàn)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤形永磁鐵，替代油門腳踏板，以模擬硬件汽車油門腳踏驅(qū)動(dòng)，汽車油門腳踏板檢測(cè)系統(tǒng)與控制電路的框圖如圖3所示，軟件功能流程如圖4所示。為了驗(yàn)證其可行性，使用精密角度傳感器測(cè)試儀[4]，利用計(jì)算機(jī)并口來控制步進(jìn)電機(jī)（步距為0.36°）帶動(dòng)傳感器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即永磁鐵在水平方向上的方位角每步改變0.36°，加在霍爾芯片上的外磁場(chǎng)發(fā)生變化，通過霍爾效應(yīng)使傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。傳感器的輸出信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS774JP[5]，ADS774JP在并口的控制下對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過并口讀入PC。

圖4 軟件功能流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于汽車油門腳踏采用的是雙路輸出模式，因此所制作的傳感器使用的是MLX90316雙芯片版，集成2個(gè)傳感芯片。其測(cè)試界面如圖5所示，第一路輸出中低電平為0.295 V、高電平為1.850 V，第二路輸出中低電平為 0.102 V、高電平為0.879 V。為了驗(yàn)證傳感器，分別對(duì)其步進(jìn)電機(jī)不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下的獨(dú)立線性度、重復(fù)性、一致性等做了測(cè)量。

3.1 傳感器的獨(dú)立線性度

線性度是傳感器靜態(tài)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]，它定義為傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)參考直線的最大偏差除以傳感器滿量程的百分比。根據(jù)所選定參考直線的不同，可獲得不同的線性度。以最佳直線作為參考直線的線性度稱為獨(dú)立線性度。獨(dú)立線性度是衡量傳感器線性特性的最客觀標(biāo)準(zhǔn)。首先模擬輕踩汽車油門腳踏板，以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤形磁鐵，以50 r/s的轉(zhuǎn)速慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得的MLX90316芯片輸出電壓V與轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系如圖6所示的實(shí)線。然后用最小二乘法擬合得到最佳直線，如圖6中的虛線。由傳感器線性度的定義L=計(jì)算出該轉(zhuǎn)速下MLX90316傳感器的線性度為1.025%，該值較小，說明傳感器在此轉(zhuǎn)速下有良好的獨(dú)立線性度。

圖5 雙路輸出圖形

圖6 MLX90316芯片輸出電壓與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系

3.2 獨(dú)立線性度與電機(jī)頻率測(cè)試

為全面考察MLX90316傳感器在工作時(shí)的獨(dú)立線性度，模擬在較重和重踩踏板情況下，分別以100 r/s、150 r/s、200 r/s、250 r/s、300 r/s、400 r/s、500 r/s、600 r/s、700 r/s、800 r/s的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)圓盤形磁鐵，得到各自的獨(dú)立線性度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可見，在各轉(zhuǎn)速情況下，獨(dú)立線性度均小于1.5%，優(yōu)于現(xiàn)行汽車油門腳踏板檢測(cè)系統(tǒng)。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉(zhuǎn)軸內(nèi)，替代現(xiàn)行碳膜電阻油門腳踏板的獨(dú)立線性度，達(dá)到了應(yīng)用要求。圖中隨著轉(zhuǎn)速增加，獨(dú)立線性度有增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)锳DS774JP的數(shù)據(jù)采集與頻率相關(guān)，速度太快時(shí)可能采集到的數(shù)據(jù)有遺漏，但不同角度傳感器在測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)試轉(zhuǎn)速的改變所引起的獨(dú)立線性度變化趨勢(shì)基本是一致的。由圖7看出，轉(zhuǎn)速在50 r/s～300 r/s的情況下較佳，獨(dú)立線性度小于1.03%，能滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

圖7 測(cè)量獨(dú)立線性度在不同轉(zhuǎn)速下的變化圖

3.3 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性是傳感器的另一個(gè)重要靜態(tài)特性，通過對(duì)同一角度傳感器的重復(fù)測(cè)量來檢測(cè)本測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性。轉(zhuǎn)角范圍為 50°，兩路電壓分別為0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度傳感器重復(fù)測(cè)試12次，每次測(cè)量步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)兩周(即 720°)，轉(zhuǎn)速為 150 r/s。 其結(jié)果如圖8所示，結(jié)果顯示重復(fù)性能比較好，其獨(dú)立線性度最大相差0.02%。

圖8 雙路重復(fù)測(cè)量的獨(dú)立線性度

3.4 一致性測(cè)試

傳感器的一致性也稱為互換性，通過對(duì)同批次角度傳感器的測(cè)量可以看出本測(cè)試系統(tǒng)的一致性。轉(zhuǎn)角范圍為 50°，兩路電壓分別為 0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度傳感器4個(gè)，分別測(cè)量12次，測(cè)量時(shí)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)兩周(即 720°)，轉(zhuǎn)速為 150 r/s。 其測(cè)量結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示此非接觸式角度傳感器的一致性比較好，其獨(dú)立線性度保持在1%左右，4個(gè)電位器的參數(shù)基本保持一致。

圖9 不同傳感器的獨(dú)立線性度測(cè)測(cè)試

由于市面上的汽車油門腳踏板都是基于碳膜滑動(dòng)電阻器式設(shè)計(jì)的，存在磨損大、接觸不良等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于MLX90316非接觸式雙路輸出汽車油門腳踏板，并研制了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。從檢測(cè)結(jié)果來看，獨(dú)立線性度、重復(fù)性和一致性都很好，可以替代碳膜滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)，具有很大的應(yīng)用前景。

[1]李國(guó)鋒，王云.基于單片機(jī)的汽車電子油門控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(4)：137-140.

[2]余貴堂.基于MLX90316的BLDCM控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[3]HILIGSMANN V，RIENDEAU P.Monolithic 360 degrees rotary position sensor IC automotive applications[J].Proceedings of IEEE Sensors，2004，3(10)：1137-1142.

[4]徐文濤，黃釗洪.基于計(jì)算機(jī)并口的磁敏無接觸式角度傳感器測(cè)試系統(tǒng)[J].傳感器世界，2008(4)：49-52.

[5]周征.12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS774JP及其在高精度檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2003(4)：35-37.

[6]何培杰，陳翠英，王多輝.傳感器獨(dú)立線性度的研究[J].傳感器技術(shù)，1999，18（6)：26-27.