基于霍尔的电子油门脚踏设计

　磁　寣收稿日期：２００８－０８－２５基金项目：+江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目（QC２０００７０３）；扬州大学科技创新培养基金资助项目（２００６CXJ００６）．作者简介：-叶飞（１９８２—），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要从事汽车电子控制技术研究；马明星（１９７４—），男，安徽巢湖人，工学博士，副教授，硕士生导师，主要从事汽车系统动力学和汽车电子控制技术等领域的研究．基于HALL元件的电子油门踏板电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发磁叶　飞，马明星（扬州大学机械工程学院，江苏扬州　２２５００９）摘要：利用霍尔效应，设计了一种非接触式电子油门踏板电路，可以精确测量踏板的角位移．开发了相应的电子油门踏板机械．多次测试分析表明：设计的踏板位置传感器电路能够准确地测量踏板位置，并具有反应迅速、线形度良好的特点，为发动机电子控制系统实现节能和排放提供了良好的技术支持．关　键　词：霍尔效应；电子油门踏板；空气隙磁感应强度中图分类号：U４６４．１３６　　　　文献标识码：A文章编号：１６７１－０９２４（２００８）１１－０００４－０４DesignandDevelopmentofElectronicAcceleratorPedalCircuitsBasedonHallSensorYEFei，MAMing_xing（SchoolofMechanicalEngineering，YangzhouUniversity，Yangzhou２２５００９，China）Abstract：Anon_contactHALLsensorcircuitforthemeasuringoflineardisplacementandangulardis-placementisdesignedbasedontheHallEffect．Atthesametime，thecorrespondingmechanicalpartofelectronicacceleratorpedalisdesigned．Anumberoftestsandanalysesshowthatthecircuitcanmeasurethepositionofpedalpreciselyandthecircuitischaracterizedbyrapidresponseandgoodlinearity．Thus，itprovidesverygoodtechnicamsupportfortheenergysavingandemissionoftheEngineElectronicControlSystem．Keywords：HALLEffect；electronicacceleratorpedal；air_gapmagneticinduction　　为了提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性和减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子油门及相应的电子控制系统，通过电子油门系统灵活地管理发动机进气量，使发动机获得令人满意的动力性、较好的油耗和排放性能．同时，通过该系统也可以协调发动机和底盘系统的工作，使车辆拥有良好的操纵性．电子油门控制系统可以整合在发动机控制器之内，实现巡航控制、怠速控制等功能，同时由于减少了原有电控系统的组件，提高了整体系统的可靠性．油门踏板传感器是电子油门系统中的关键部件［１］，其精度和可靠性对汽车电子控制起着至关重要的作用．利用霍尔效应制成的角度传感器可实现非接触式控制，结构简单，成本较低，适合在汽车上第２２p卷　第１１期Vol．２２　No．１１重庆工学院学报（自然科学）JournalofChongqingInstituteofTechnology（NaturalScience）２００８y年１１月Nov．２００８使用．１　电子油门系统工作原理　　电子油门系统是发动机控制的关键部件，它利用传感器控制油门，取消了油门踏板和节流阀体间的油门拉线或者其他机械连接装置［２］，由电子节气门解释和传递驾驶员的操纵意图，并驱动节气门作动器，实现节气门开度的变化［３］．当利用柴油机电子控制系统（EDC）时，驾驶员可以根据驾驶所需的功率踩踏油门踏板，油门踏板位置传感器将采集到的油门踏板位置信号转化为电信号，并将其传给发动机控制器（ECU），由发动机控制器通过电动机实现对节气门的调节，实现节气门的完全电子控制．系统摒弃了传统油门踏板采用钢丝绳或杠杆机构与发动机节气门间的直接机械连接，通过增加相应的传感器和电控单元，实时精确地控制节气门开度，原理如图１所示．系统主要由带油门踏板传感器的油门踏板模块、发动机控制器、节流阀体（节气门）、电子油门系统故障指示灯等几部分组成．图１　电子油门系统原理　　油门踏板模块中的油门踏板传感器实际上是一个角度传感器，它提取瞬间油门踏板的位置信号，并将其转化为电压信号传递给发动机控制器．发动机控制器根据油门位置信号，计算出驾驶员对发动机的功率需求并将其转化为所需要的发动机扭矩．电子油门踏板主要由踏板座、弹簧、位置传感器、踏板杆总成和轮等组成，对电子油门踏板移动做出精确的响应，监控油门踏板的运行情况，并将其转化为电压信号，其核心部件是霍尔元件．１．１　霍尔效应当电流I臣过放在磁场中的半导体基片（霍尔元件）且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压UH．霍尔电压UH的高低与通过的电流I和磁感应强度B成正比［４］，可表示为UH＝RHIBd（１）式中：RH为霍尔系数；d为基片厚度；I为电流；B为磁场强度．由式（１）可知，当通过的电流I为一定值时，霍尔电压UH与磁场强度B成正比，即霍尔电压的大小仅与磁场强度的大小有关，而与磁通的变化速率无关．１．２　磁路设计选用高剩磁Br和低矫顽力HC的铝镍钴合金作为永磁材料［５］．该材料磁体温度系数小，而且因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小，因而适合在此传感器上应用．由于铁磁物质的导磁系数比非铁磁物质的导磁系数要大得多，因此在计算时可以只计算主磁通［５］，而忽略漏磁通或者是在主磁通上加上一个修正系数．１）导磁板厚度TP．根据经验公式TP＝５Lg（２）以低碳钢板的厚度为限定．２）导磁芯直径DP．根椐磁路连续性原理DP＝４．１TP可以取值DP＝（４～５）TP（３）　　３）导磁极直径DS＝DP＋２Lg（４）　　４）磁空气隙面积Sg＝π（DP＋DS２）TP（５）　　５）磁体截面积SmSm＝KfBgSgBd（６）　　６）磁体直径Dm＝４Smπ（７）　　７）磁体长度Lm＝４Smπ（８）以上２个参数Dm，Lm的选择，需要考虑磁体尺寸的标准化系列．８）核定漏磁系数Kf＝１＋５LgTP·DmDP（９）　　９）核定空气隙磁感应强度５叶　飞，等：基于HALL元件的电子油门踏板电路的设计开发Bg＝SmLmBdHdKrKfSgLg（１０）其中：Lg为空气隙长度；Bd为工作点磁感应强度；Hd为工作点磁场强度；Kr为磁通系数．选用２mm的导磁板，这样就可以根椐以上的各组公式进行磁通量的计算与校核，以获得霍尔元件所需要的最佳磁通量，如模拟霍尔位置传感器SS４９０系列的典型磁通量要达到－８４～８４mT［７］．它提供了更好的温度稳定性和灵敏度，并采用激光修正的薄膜电阻提高精度（零点±３％，灵敏度±３％）和温度补偿以减小温漂．而方块型的设计则是把影响输出的机械与热应力效应减小到了最小程度，正的温度灵敏度系数则是补偿了磁钢本身负的温度系数，Rail_to_Rail（全电压范围）性能则为信号达信更高精度提供保证．１．３　电路设计为了实现将角度转化为电压信号，在踏板杆总成的轴端面上适当的位置贴好磁片，这个位置要保证踏板转动后传感器都能做出反应．从霍尔效应的原理可知，当踏板杆带动磁钢旋转时，霍尔传感器的电压值随通过它的磁通量的变化而变化，从而有电压信号从霍尔传感器输出，经过后面信号处理电路对此输出的电压信号进行放大．通过调节后级放大电路的放大倍数，可以得到合适的与角度成正比的电压信号，同时考虑到汽车怠速的需要，故在信号输出时要有一怠速信号，并当油门踏板转动一定角度后由开关电路切换成加速信号．电路原理如图２所示．图２　电路原理１．４　结构设计图３和图４所示传感器的结构为：在壳体的一侧设置即插接口，在壳体内设置上腔和下腔，在上腔内配合一转子，在与转子转轴垂直的同心圆上固接磁钢，在上腔内于磁钢外设置至少一组霍尔元件，每组霍尔元件的２块相对的导磁片设置在磁钢的外侧，并与磁钢之间设置间隙，在壳体下腔设置电路板，壳体外侧设有即插接口，各组霍尔元件相互独立、互不干扰，电路板与霍尔元件之间可由霍尔引脚直接连接，方便了安装、调试，也方便了与现有其他产品的互换性．壳体分上、下两腔，将电路板布置在下腔内，使产品整体紧凑、小巧，其合理的设置也方便了安装和使用．通过以上措施，省去了通常电路后期处理采用接触式可调电阻调整输出电压的方法，由于取消了接触式可调电阻，使全行程寿命大于１２００万次，点动寿命大于１００００万次，并使非接触式角位移传感器在现有的生产工艺和精度下达到了汽车发动机ECU所需要的一致性、线性度、同步度要求．图３　踏板结构图４　传感器结构示意图２　测试与结果分析　　采用数椐采集卡ADLINK－PCI９１１DG在采样频率为８０００Hz时进行试验，模拟驾驶员在行驶过程中急加速后快速释放踏板和缓慢加速后快速释放踏板的过程，其曲线如图５～６所示．６重庆工学院学报图５　急加速后快速释放踏板图６　缓慢加速后快速释放踏板　　在图５～６中，可以得到２条曲线，一条是用于怠速的踏板输出信号曲线，另一条则是用于加速的踏板输出信号曲线．由于在测量过程中，踩踏油门踏板力不是线性变化，故其输出特性也出现了相应的振荡．由测量结果可以知道，在急加速过程中，怠速与非怠速信号的切换分别是在７０５．５６和７１１．８０mV，而在缓慢加速过程中其切换点也分别在７１４．７８和７１７．４３mV，因此，在这２种工况下误差分别是６．２４mV和２．６５mV．对各关键点进行测量，并与发动机的ECU要求的标准值进行比较，可以得到图７所示的结果．图７　关键点与标准值比较　　从图７中可以得知：在一定的角度变化范围内，电压输出值与角度变化量基本成线性关系，且怠速与加速的切换点也是在允许的误差范围内，因此，可以利用电压信号线性输出的区域来满足油门踏板传感器的需要．３　结论　　１）采用霍尔元件设计电子油门电路，有反应迅速和线形度良好的特点，具有较高的实用价值．２）设计中仅给出了一种单线程电子油门踏板，通过改变比较电压，可以方便实现单线程、双线程及其他扩展功能，可以实现与不同类型发动机的匹配，为多种电控发动机提供油门踏板精确位置．３）随着我国对发动机排放控制要求的日益提高，研制新型电子油门踏板对排放控制具有十分重要的意义．本课题组正在进行电子油门踏板与发动机电子控制单元的匹配实验研究，为自主开发电控发动机提供良好的技术支持．参考文献：［１］　王珂，刘春生．非接触式油门踏板传感器的设计［J］．吉林工业大学学报：自然科学版，１９９９，９３（１）：７０．［２］　周昌林．发动机电子油门控制［J］．汽车维修，２００２（５）：９－１０．［３］　曲喜新．电子元件材料手册［M］．北京：电子工业出版社，１９８９．［４］　冯能莲，董春波，宾洋，等．电子节气门控制系统研究［J］．汽车技术，２００４（１）：１－４．［５］　龚绍文．磁路及带铁芯电路［M］．北京：高等教育出版社，１９８５．［６］　王保保，刘畅生，苗苗，等．传感器简明手册及应用电路———线性输出磁场传感器分册［M］．西安：西安电子科技出版社，２００７．［７］　深圳市响拇指电子有限公司．响拇指电子［EB／OL］．［２００２－０４－１３］．http：／／www．sumzi．com．（责任编辑　陈　松）７叶　飞，等：基于HALL元件的电子油门踏板电路的设计开发