利用差分霍爾器件實(shí)現(xiàn)齒輪速度測量
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英飛凌科技在TLE 4921-3U上集成了兩個霍爾傳感器、一個差分放大器以及評估電路，該器件只評估場強(qiáng)差異值，而不是絕對的場強(qiáng)值，這意味著溫度漂移、制造容差和磁場環(huán)境等因素對測量結(jié)果的影響可以降到最低。如果采用一個帶外部電容的高帶通濾波器對測量信號進(jìn)行動態(tài)處理，將可進(jìn)一步減小干擾影響。
該器件目的是在惡劣的汽車環(huán)境中應(yīng)用。一個小的永久偏磁體需要用來感應(yīng)各種形狀的鐵磁齒輪，正確的切換能確保檢測出輪齒和齒隙之間的最小場強(qiáng)差異。對于一個470nF的濾波電容來說，典型的較低切換頻率大約為10Hz。TLE 4921-3U器件的封裝厚度為1毫米，只有四個引腳。
功能設(shè)計(jì)
當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場中時(shí)，其上的兩個霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號。無論該磁場的絕對強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個單元面向磁場集中的輪齒，另一個單元則面向一個齒隙，如果兩個霍爾單元之間存在磁場梯度，那么將產(chǎn)生一個差值信號，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個差值體現(xiàn)了一個小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制機(jī)制來修正。這種動態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。
如圖1所示，一個施密特觸發(fā)器用來對該信號進(jìn)行數(shù)字化，一個開集電極輸出電路提供輸出信號。芯片上還集成了過壓保護(hù)、反極性保護(hù)和抗電磁干擾功能，因而可以應(yīng)用在汽車中常見的惡劣環(huán)境。
對于差值信號的生成和評估，這里可以一個感應(yīng)鐵磁齒輪這樣的典型應(yīng)用來解釋。安裝在器件背面任何一端的一個永久磁體產(chǎn)生一個恒定的偏置磁場，器件內(nèi)的兩個霍爾傳感器相隔2.5毫米。如果一個傳感器暫時(shí)面對一個輪齒而另一個面對齒隙，那么該輪齒將作為一個磁通量聚集器，它通過該霍爾傳感器增加了磁通密度，由此產(chǎn)生一個差分信號。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，該差分信號的極性將改變，改變的速度同輪齒與齒隙之間變換的速度一樣。
當(dāng)過零點(diǎn)直接出現(xiàn)在該輪齒或齒隙的中心時(shí)，該輪齒的邊緣就會產(chǎn)生最大的差值。當(dāng)該差值超過上限閾值時(shí)，TLE 4921-3U的輸出晶體管將關(guān)斷。這就是圖2中靠近管腳4的霍爾傳感器2感應(yīng)到該輪齒的情況。隨著差值降到下限閾值，晶體管打開，這就是靠近管腳1的霍爾傳感器1感應(yīng)到輪齒。
齒輪、感應(yīng)距離和角精度
一個齒輪可由其模數(shù)來表征：m=d/z。其中d是齒徑，z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計(jì)算公式為T=π×m。
當(dāng)一個霍爾傳感器面對一個輪齒而另一個霍爾傳感器面對一個齒隙時(shí)，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個霍爾傳感器的間隔為2.5毫米，在模數(shù)為1，對應(yīng)的齒距為3.14毫米的條件下，該器件都可以感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長時(shí)間內(nèi)檢測不到足夠的差值，這意味著輸出信號將不確定。
傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時(shí)在輸出端出現(xiàn)一個脈沖來表征。
如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號。因此，切換精度可以隨傳感器低/高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種低/高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個旋轉(zhuǎn)角度。
濾波器電容
濾波器電容在該霍爾器件的修正功能中起重要作用。如果一個應(yīng)用需要工作在100攝氏度以上的溫度條件下，建議采用陶瓷電容(X7R)。濾波電容引腳和GND管腳之間的連接線要盡可能短。在濾波電容引腳處的漏電流將引起切換閾值的漂移以及誤切換。切換閾值的漂移可以按下式計(jì)算：
抑制供電線路瞬態(tài)干擾
圖3所示為采用TLE 4921-3U的測量電路。濾波電容CF(470nF)直接連到管腳4，另外在供電線路上加一個旁路電容(CS=4.7nF)，并采用一個300Ω的串聯(lián)電阻(測試脈沖5采用400Ω電阻)。某些應(yīng)用不允許這樣高的串聯(lián)電阻，因?yàn)闀鸸╇婋妷合陆?。如果采?0到150Ω的較小串聯(lián)電阻，那么幾乎不會對下面的結(jié)果產(chǎn)生影響，僅對脈沖5會有些影響。由于其長達(dá)400ms的持續(xù)時(shí)間，這種所謂的負(fù)載突降(load-dump)脈沖會使TLE 4921-3U器件產(chǎn)生很高的功耗。如果沒有一個足夠大的串聯(lián)電阻，該器件也許會損壞。因此，最小的電阻必須適應(yīng)有關(guān)應(yīng)用的負(fù)載突降需求，反之亦然。另一種可供選擇的方法是在供電線路上加一個抑制二極管，這樣就不必采用大串聯(lián)電阻。
這個測試在一個TEM單元內(nèi)進(jìn)行，安裝有霍爾傳感器的印刷電路板進(jìn)行了優(yōu)化。從測量結(jié)果可以看出在整個頻率范圍內(nèi)，在高達(dá)160V/m的磁場內(nèi)TLE 4921-3U的工作不受到影響。
為優(yōu)化TLE 4921-3U的EMI性能，首先要考慮印刷電路板的布局。下面的推薦依據(jù)的是內(nèi)部測試該器件時(shí)獲得的EMI測量結(jié)果。
元件參數(shù)值
CF=470nF 高通濾波電容
CS=4.7nF 可選的高頻旁路電容
R P =0~330Ω 與CP形成電源線上的低通濾波器
CP=4.7nF 防止電導(dǎo)耦合和快速干擾脈沖
R q =33Ω 與Cq用來平滑信號的下降沿
Cq=4.7nF
RL=330Ω 負(fù)載電阻
以下是降低輻射干擾的優(yōu)化措施：
1．接地(GND)：電路板上的基準(zhǔn)點(diǎn)是霍爾器件的GND管腳。為了避免傳導(dǎo)干擾，到GND管腳的所有連線應(yīng)該形成星形連接，否則抗干擾電磁的性能將會下降。
2．濾波電容的連接：濾波電容CF和GND管腳之間的連線要盡可能短(最理想的情況是CF的位置緊靠該霍爾器件)，而且要考慮到上面所提的到GND管腳的星形連接結(jié)構(gòu)。否則，建議在CF和TLE 4921-3U之間采用第二個較小的電容(例如82nF)，其目的是縮短在CF和各對應(yīng)管腳之間的連線。這個措施僅適用于該霍爾器件附近只有很少可用空間的情況。
3．接地屏蔽：建議將該濾波電容的GND連線延伸出去，作為該電容到C管腳連接的一個接地屏蔽。
4．附加的RF旁路：RF旁路電容CS能夠進(jìn)一步提高抗電磁干擾性能。
上面列舉的優(yōu)化步驟的效果(其重要性依次下降)會根據(jù)系統(tǒng)的具體特征(傳感器、電纜和控制單元)而變化，并不是所有這些措施都需要采用，要根據(jù)具體的應(yīng)用要求來定。
探測旋轉(zhuǎn)速度
輪齒傳感器的輸出信號是矩形波，開關(guān)狀態(tài)的每次改變代表從輪齒到齒隙的一次變換。對于矩形輪齒(例如模數(shù)2)和1到2毫米的感應(yīng)距離來說，信號的占空比幾乎為1:1。速度信息的形式取決于具體的應(yīng)用，可能為數(shù)字形式，也可能為模擬電壓形式。
1. 模擬評估
速度控制是傳統(tǒng)控制工程中最常見的任務(wù)。模擬控制器(比例、比例積分和比例積分微分)針對的受控變量是正比于速度的電壓。獲得這個正比于速度的電壓的第一步就是傳感器輸出信號通過一個單穩(wěn)態(tài)的邊沿觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成一個方波信號，其“開”時(shí)間固定，“關(guān)”時(shí)間可變(取決于速度)。第二步是進(jìn)行線性平均，采用一個轉(zhuǎn)換系數(shù)使它正比于速度。
一個運(yùn)動線圈儀表特別適合于速度的模擬顯示，這在較低的截止頻率(一般為10Hz)情況下它是一個理想的平均器。
2. 數(shù)字評估
如果正比于速度的電壓以數(shù)字形式生成，或者相關(guān)的系統(tǒng)中有一個微計(jì)算機(jī)可作為數(shù)字控制器，那么該速度很容易計(jì)算出來。
將齒輪傳感器連接到一個微控制器的計(jì)數(shù)輸入端(例如，8051單片機(jī)上計(jì)數(shù)器0的外部輸
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