霍尔式相位传感器信号精度的影响因素浅析①

王凌志

(同济大学,上海 200092)

0 引 言

霍尔式相位传感器是是利用霍尔效应测量发动机凸轮轴的角度位置信息，其核元器件是霍尔芯片，评估传感器的优劣的关键特性是输出信号的精度与稳定精度。程娟，陈若飞等针对传感器在的功能和常见客户端故障类型做过研究和总结，英飞凌的应用工程师何喜富也针对霍尔芯片的误差补偿逻辑和磁滞算法做过介绍。给予前述研究人员的工作基础上,重点介绍了传感器总成和配套信号轮设计和使用的角度对影响传感器信号精度的影响因素，以及每种影响因素的影响机理进行了分析和梳理，可以对传感器的开发和研究人员提供参考。

1 相位传感器的功能

相位传感器是汽车点火系统的关键零部件之一，将凸轮轴的位置信息转化成电信号输送给ECU(Electric Control Unit)，以便于ECU准确地判断1缸上止点位置，从而进行喷油和点火控制。如图1所示：相位传感器将凸轮轴信号轮的外形特征转化成方波信号，同时曲轴位置传感器将曲轴信号轮的外形转变成方波信号。ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器给出的两个方波信号判断是否启动点火线圈；如果需要，ECU则会发送一个脉冲信号给到点火线圈；点火线圈接到ECU信号后产生一个约40kV的高电压信号给到火花塞，火花塞击穿混合气产生火花引燃混合气，实现发动机的点火过程。

图1 凸轮轴位置传感器的功能介绍

2 霍尔式相位传感器工作原理简介

霍尔式凸轮轴位置传感器利用霍尔效应进行位置识别。1879年霍尔(hall)发现当电流通过有磁场垂穿过的长方形金属片时，金属片的侧面会产生微弱的电动势的现象，称之为霍尔效应，此电动势称为霍尔电动势。霍尔效应对于一切导体(包括半导体)都是适应的,其本质上是由于运动电荷受到磁场力、电场力作用的结果。根据霍尔效应理论在磁场不太强时，霍尔电动势UH与电流强度I和磁场强度B成正比，与载流体的厚度d成反比：

其中kH为霍尔系数。

霍尔式传感器是根据信号轮的齿或漕转过传感器头部时霍尔元器件位置的磁场强度B的变化(如图2),将信号轮外形的转化成电信号UH的输出状态。

3 相位传感器的输出信号精度的影响因素分析

相位传感器(以下简称传感器)的输出信号精度是指传感器输出的电信号角度位置与实际信号轮齿位置的之间的角度偏差值(如图3)，所以精度的绝对值越小说明传感器的信号越准确；不同圈数的信号精度的散差值越小说明传感器的输出信号越稳定，即重复精度越好。与信号齿的两个边沿相对应，传感器输出电信号有上升沿信号精度和信号下降沿信号精度。由于霍尔芯片可以分为初始阶段、预标定阶段和运行模式阶段；通常将初始模式和预标定阶段的精度值称为启动精度，稳定运行阶段的精度称为运行信号精度。

图2 霍尔传感器工作原理示意图

3.1 霍尔式相位传感器信号精度的基本概念介绍

TPO(True Power On)上电即得功能，要求传感器在上电的瞬间能够识别出对应的是信号轮的齿或漕。BTPO值是为了实现TPO功能而设定的磁场强度判断阈值。通常需要先对目标信号轮进行mapping，测出信号轮转动时芯片位置的实际磁场强度值变化曲线，再根据mapping数值来设定BTPO值。如图4所示：由于不同空气间隙下磁场强度变化较大，所以BTPO的设定值需要比最大气息时的齿对应的磁场强度要低，而且比最小气息时漕对应的磁场强度要大，即满足：

B齿>BTPO，B漕

图3 传感器信号精度示意图

霍尔芯片在稳定运行状态时是以Bcal作为切换阈值进行信号切换，Bcal的计算参照式(1)为：

Bcal=Bmin+ (Bmax-Bmin)*K0

(1)

根据公式(1)：Bmax，Bmin是可以直接根据mapping数据读出的最大磁场强度值和最小磁场强度值，K0是霍尔芯片信号切换点的切换比例。K0值选择的不同，芯片的输出性能也会不同。

由于传感器与信号轮间的空气间隙不同时磁场强度绝对值的差异较大，需要对mapping的测量曲线按照公式(2)进行归一化处理来降低因空气间隙对输出信号的影响，mapping曲线经过归一化处理后的结果如图6所示。运行信号精度是根据公式(1)中的K0设定值和归一化曲线，来决定切换阈值。

Bnor=(B-BminAG1) /(BmaxAG1-Bmin AG1) *100

(2)

图4 针对某四齿信号轮的mapping曲线

图5 霍尔芯片不同阶段信号切换阈值示意图

3.2 影响启动精度的因素分析

启动精度是从传感器上电后第一个信号开始至初始标定阶段结束时间段内的角度偏差值。传感器上电后，遇到的第一个转过齿的边沿是以BTPO的值作为切换阈值进行切换，然后根据芯片设定的补偿步长或者步数逐步调整到稳定运行状态的切换阈值Bcal。通常情况下启动精度要比芯片稳定运行状态时的信号精度要大得多。下面介绍几种会影响启动精度的因素：

3.2.1BTPO值的设定

传感器上电后第一个转过的齿沿以BTPO的值进行信号切换，所以BTPO值与Bcal之间的磁场强度差值会影响启动精度。|Bcal-BTPO| 的差值越大，则启动精度越大。

图7 不同间隙下启动精度的对比结果

图8 不同K0值的信号精度结果对比

图9 磁滞算法的不同对Bcal的影响关系

3.2.2 信号轮与传感器间的空气间隙大小

根据图4的mapping曲线可知，不同空间间隙下磁场强度的绝对值差别很大；空气间隙越小，式(1)中Bmin值增加的较小而Bmax值增加量更大，在K0不变的条件下Bcal的绝对值也会越大。图7是在不同间隙下启动精度的测试结果对比，小间隙时启动精度越小，大间隙时启动精度较小。

3.2.3 背磁的磁场强度的大小

霍尔式芯片工作是需要传感能够提供原始的基础磁场强度，即是背磁。基础磁场越大则mapping曲线的也会向上移动，磁场变化幅值越大则曲线变高;会导致|Bcal-BTPO|的差值变大。启动精度也会变大。

3.2.4 预标定阶段的补偿步长的选择

预标定阶段设定的补偿步长或者步数的参数设定，会导致每个切换点的磁场强度值的不同；每次补偿的磁场强度值称为步长，到标定阶段所经历的补偿次数称为步数。步长越短，补偿步数会越多，预标定阶段的精度值会越小；步长越长，补偿步数会越小，预标定阶段的精度值会越大。

3.3 影响稳定运行信号精度的因素分析

根据公式(1)：在稳定运行状态时影响霍尔芯片的信号切换的参数Bcal值的大小，Bcal的影响参数有Bmin，Bmax和K0值等。

3.3.1 切换比例K0的设定

一般的霍尔芯片都会给出不同的K0值供客户选择，如38.67%,51.17%,69.92%等。K0值选择的不同，在不同空气间隙下，归一化曲线的横坐标的差值大小不一致，进而影响不同空气间隙下Bcal值的大小。故K0值的选择会影响信号精度。图8是选择不同K0值时，传感器的输出信号精度测试结果对比。

3.3.2 芯片磁滞算法的选择

为了降低噪音对凸轮轴位置传感器的信号切换的影响，霍尔芯片常会引入磁滞算法的概念。磁滞算法的选择会影响实际切换点的Bcal值发生变化，进而影响信号精度。图9说明了不同磁滞算法的选择对信号输出精度的影响关系。

3.3.3 信号轮与传感器间的空气间隙大小

空气间隙的大小直接影响了Bmin和Bmax值的大小，虽然通过归一化处理的计算逻辑能够减小不同空气间隙对Bcal的影响，但是无法做到完全消除；所以空气间隙仍然会影响信号的输出精度。

3.3.4 信号轮的设计

信号轮的结构设计、材料选择和齿形的设计会影响mapping曲线中的overshoot(图4中波峰的两个尖角)和小角度漕对应的最小磁场强度，也就是Bmax和Bmin值。

3.3.5 信号轮安装的圆跳度

信号轮安装的圆跳度较大时，每个切换阀值所参照的前一对Bmax和Bmin值都在不断变化，即使K0值不变，Bcal值也会因信号轮的圆跳度和信号轮转过的角度的影响而产生较大幅度的变化，信号精度也会随之不断变化，重复性变差。

4 结 论

本文简单介绍了相位传感器的功能和工作原理；并详细描述了相位传感器输出信号精度的概念及其计算逻辑。利用理论分析和实验测试的方法着重分析了传感器信号精度的影响因素及其影响机理。影响启动精度的主要因素有：BTPO值的设定、信号轮与传感器之间的间隙大小、背磁的磁场强度大小和预标定阶段的补偿步长的选择等。影响稳定运行信号精度的因素有：切换比例K0值的设定、磁滞算法的选择、空气间隙的大小、信号轮的设计和信号轮安装的圆跳度等。