非接觸式汽車AMT擋位傳感器性能試驗研究

周煒冬， 方錫邦， 張肖康， 周守元

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥邦立電子股份有限公司，安徽 合肥 231202）

擋位傳感器是安裝在汽車機械式自動變速器AMT（Automated Mechanical Transmission）上的一種角度傳感器，主要應(yīng)用在汽車底盤的電子自動變速控制系統(tǒng)中［1］。汽車AMT控制系統(tǒng)通過擋位傳感器提供的電動機轉(zhuǎn)動位置信息實施精確的運動控制，實現(xiàn)變速器撥叉軸的移動換擋和擺動換擋以及離合器的接合。傳統(tǒng)的擋位傳感器大都屬于接觸式擋位傳感器，由于觸點頻繁滑動，部件容易產(chǎn)生磨損，無法保證信號輸出的精確性與穩(wěn)定性，輸出線性度難以控制，使用壽命受到限制［2］。

文獻［3－4］介紹了2種實用新型非接觸式車用擋位傳感器，是近年來擋位傳感器領(lǐng)域的最新研究成果，已經(jīng)成功應(yīng)用于上汽通用別克汽車的凱越、君悅等車型上。

本文中的非接觸式汽車AMT擋位傳感器由國內(nèi)某汽車電子企業(yè)自主研發(fā)，是一種性能優(yōu)良、精度高、可靠性強的磁電式角度傳感器，僅從傳感器外部引出電極，采用完全無接觸的角度旋轉(zhuǎn)方式，大大延長了使用壽命。傳感器內(nèi)部應(yīng)用了高精度的霍爾芯片和具有特殊磁路結(jié)構(gòu)的磁性材料，保證了測試的準(zhǔn)確性。同時，通過開發(fā)的基于PC機的虛擬儀器系統(tǒng)，即汽車AMT擋位傳感器性能測試系統(tǒng)，利用在線編程2點標(biāo)定方法，采用軟件方式進行了試驗研究。

研究表明，該傳感器可解決傳統(tǒng)擋位傳感器難以實現(xiàn)的大角度穩(wěn)定測量問題，具有良好的線性輸出特性。

1 傳感器設(shè)計

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個擋位傳感器由霍爾芯片、轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)磁片、磁鐵等組成，磁鐵和導(dǎo)磁片固定在轉(zhuǎn)軸上并裝入殼體下腔，霍爾芯片從殼體上腔裝入，芯片的引腳和殼體上的接插件端子焊接在線路板上。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器工作原理

傳感器基于霍爾效應(yīng)原理制成，如圖2所示?；魻栃?yīng)指當(dāng)一個有電流通過的霍爾半導(dǎo)體片（霍爾基層）置于磁場方向和電流方向垂直的磁場中時，在霍爾半導(dǎo)體片與電流方向垂直的橫向側(cè)邊上就會產(chǎn)生一個微電壓，稱為霍爾電壓，其大小可表示為：

其中，VL為霍爾電壓；RL為霍爾常數(shù)；IC為偏置電流；H為磁場強度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。

對于一個給定的霍爾元件，當(dāng)電流一定時，產(chǎn)生的霍爾電壓取決于磁場強度的變化。

本傳感器安裝在汽車AMT的選擋軸、換擋軸和離合器轉(zhuǎn)軸上，以選擋軸、換擋軸和離合器轉(zhuǎn)軸帶動傳感器轉(zhuǎn)軸、磁性材料和導(dǎo)磁片同步轉(zhuǎn)動，隨著霍爾芯片在磁性材料和導(dǎo)磁片中的相對位置發(fā)生改變，霍爾芯片感應(yīng)面的磁場強度也發(fā)生改變，從而利用霍爾效應(yīng)原理輸出相應(yīng)的電壓信號。

圖2 霍爾效應(yīng)原理圖

2 性能測試系統(tǒng)平臺的搭建

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所搭建的測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括計算機、標(biāo)定檢測儀、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、信號調(diào)理電路和電動機等。其工作原理是：系統(tǒng)啟動后，電動機帶動皮帶盤齒輪的齒圈轉(zhuǎn)動，運行安裝在PC機上的標(biāo)定程序，發(fā)出標(biāo)定指令后，傳感器的轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)，所轉(zhuǎn)過的角度通過傳感器感知后，在其上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓作為模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理放大，最后通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入到計算機中進行處理和顯示。另外，計算機也可根據(jù)試驗人員的要求，通過數(shù)據(jù)采集卡來控制變頻器的輸出頻率，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)采用NI（美國國家儀器）公司M系列高速數(shù)據(jù)采集卡PCI－6220。該卡提供16路模擬輸入通道，16位分辨率，單通道1.25M和多通道1.00M采樣頻率，±10V24條數(shù)字I／O線（其中8條為1MHz定時相關(guān)DIO線）和2路32位計數(shù)器／定時器。同時，該系統(tǒng)采用東方馬達公司αSTEP ARL系列內(nèi)藏控制器型步進電動機實施運動控制，這是一種小型高轉(zhuǎn)矩電動機，采用獨創(chuàng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有優(yōu)越的加速性和響應(yīng)性，可實現(xiàn)信號的高精度定位，效率高，可靠性強。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

該性能測試系統(tǒng)由在線編程標(biāo)定和性能測試2個部分組成，在線編程標(biāo)定部分采用Micronas公司的PC825（V2.21）軟件進行編程，選擇“Two－Point Calibration”，即2點標(biāo)定，并將相關(guān)標(biāo)定信息寫入傳感器芯片。測試部分采用Lab－VIEW 2009［5］軟件作為開發(fā)工具，利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行模塊化設(shè)計，主要包括以下幾個模塊。

（1）參數(shù)設(shè)置模塊。主要設(shè)置采集通道、采樣頻率、數(shù)據(jù)保存路徑、按鈕等，為數(shù)據(jù)采集和保存做準(zhǔn)備。

（2）數(shù)據(jù)采集記錄模塊。該模塊實現(xiàn)了在傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的每一個角度點處，讀取采集卡采集到的傳感器輸出電壓值，并將采集到的數(shù)據(jù)保存在PC機上。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊。實現(xiàn)將上述測量的數(shù)據(jù)進行計算和處理，得到傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，并將擬合的結(jié)果保存?zhèn)溆谩?/p>

（4）顯示模塊。該模塊可實現(xiàn)試驗結(jié)果在前面板的顯示，并可以顯示狀態(tài)信息、線性度幅值等。

系統(tǒng)初始化后進行在線編程標(biāo)定。標(biāo)定時，首先設(shè)置好各項參數(shù)，等待數(shù)據(jù)采集命令。其次在選取的2個標(biāo)定點處記錄下標(biāo)定值，并采集這2點處傳感器的輸出電壓值。隨后，進行傳感器性能測試，包括自動測試和手動測試2個模式。最后，將測量數(shù)據(jù)進行處理，在屏幕上顯示傳感器特性曲線圖，并保存結(jié)果。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件測試流程

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

本傳感器可以實現(xiàn)0°～105°的大范圍角度測量，采用的霍爾芯片具有可編程功能，通過編程來控制模塊的線性輸出特性。同時，采用對霍爾芯片的在線軟件編程技術(shù)，能夠有針對性地對由環(huán)境、溫度等因素而引起的干擾、波動及漂移進行補償和抑制，使測量結(jié)果更加精確。由于本傳感器需要安裝在自動變速器上并應(yīng)用于實車運行中，在極限溫度、不同工況交替變化、油污、振動等惡劣環(huán)境下具有較強的可靠性。

標(biāo)定結(jié)束后，通過該性能測試系統(tǒng)的顯示模塊來顯示傳感器的輸出特性，主要包括：① 顯示擋位傳感器角度電壓曲線、線性度擬合曲線和此時傳感器的標(biāo)定值；②顯示線性度幅值的最大值和最小值；③ 顯示相關(guān)狀態(tài)信息。另外，通過數(shù)據(jù)處理模塊，可以實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的保存、讀取和打印功能。

3 性能試驗研究

3.1 傳感器基本性能

傳感器基本性能見表1所列，其中測量角度允許有±0.2°的誤差。傳感器理論輸出特性如圖5所示。

表1 非接觸式汽車AMT擋位傳感器基本性能

圖5 傳感器理論輸出特性

3.2 試驗內(nèi)容及方法

為了得到傳感器的輸出特性，首先要對傳感器進行編程。由于傳感器是批量生產(chǎn)的，不同傳感器內(nèi)部的磁性材料存在內(nèi)在差異，如磁場強度、磁路結(jié)構(gòu)等。同時，傳感器在組裝完成后也存在機械偏差，無法保證每個傳感器的輸出參數(shù)都相同，所以本試驗采用在線編程方法，當(dāng)傳感器組裝完成后，針對每個傳感器的內(nèi)在特點和差異性進行獨立的現(xiàn)場編程，保證了傳感器間輸出參數(shù)的統(tǒng)一。編程結(jié)束后，必須要對傳感器進行標(biāo)定［6］。本文采用2點標(biāo)定方法，依據(jù)2點確定一條直線的原理，直接通過性能測試系統(tǒng)進行標(biāo)定，利用率高，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動實時分析，標(biāo)定原理如圖6所示。

圖6 2點標(biāo)定原理示意圖

由于測試系統(tǒng)存在一定的系統(tǒng)誤差，為了使傳感器具有良好的線性度，這里采用補償法來減小系統(tǒng)誤差，其基本原理是［7］：在測量某一被測物件時，使定值誤差的影響在2次讀數(shù)所對應(yīng)的測量狀態(tài)中正好方向相反，在取2次讀數(shù)的平均值作為被測量的測量結(jié)果時，定值系統(tǒng)誤差對被測量的影響便相互補償而消失。

選擇一只傳感器作為試驗樣本，并通過夾具固定在試驗臺上。標(biāo)定時，根據(jù)輸出要求得出Nominal Vout1（起始角度額定電壓值）和Nominal Vout2（末角度額定電壓值）2個角度點的電壓值（0.562V和4.488V），并計算出鉗位低點和鉗位高點的比例系數(shù)填入編程界面中，然后通過數(shù)據(jù)采集卡分別對起始角度（Nominal Vout1對應(yīng)的角度點）和末角度（Nominal Vout2對應(yīng)的角度點）的磁場強度進行采樣，得出以上數(shù)據(jù)后，運行標(biāo)定程序即可得到標(biāo)定值，標(biāo)定結(jié)束后軟件界面如圖7所示。

最后，通過通信端口把標(biāo)定值寫入傳感器內(nèi)部以完成通訊編程。此時，傳感器就具有了在2個編程標(biāo)定的磁場點輸出相應(yīng)電壓值的功能，因為在這2個磁場點之間的磁場強度是均勻變化和線性的，所以傳感器內(nèi)部芯片在這2個磁場點間的輸出電壓也是均勻變化和線性的。標(biāo)定結(jié)束后，通過電動機帶動齒輪上的齒圈轉(zhuǎn)動，在傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中進行處理，并顯示傳感器的輸出特性。

圖7 傳感器2點標(biāo)定界面

3.3 結(jié)果分析

（1）按照上述試驗方法選取50只傳感器進行了試驗，由于傳感器間存在差異性，不能保證所有的傳感器具有相同的輸出特性，經(jīng)過實際測試，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認為這50只傳感器的輸出特性基本一致，均達到設(shè)計性能要求。隨機選取一只傳感器作為數(shù)據(jù)樣本，得出傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度和其對應(yīng)的輸出電壓部分數(shù)據(jù)，見表2所列。

表2 擋位傳感器性能測試部分實驗數(shù)據(jù)

程序?qū)⒚看螠y試的數(shù)據(jù)以電子表格的形式存儲于計算機中，便于隨時查詢。

（2）傳感器各項參數(shù)計算結(jié)果和擬合曲線顯示于前面板，如圖8所示，其中上半部分為角度電壓曲線圖，下半部分為線性度曲線圖，參數(shù)計算由計算機實時完成。

從圖8中可知，傳感器的線性度曲線有抖動和鋸齒，并不是光滑的，這是由測試系統(tǒng)自身存在的系統(tǒng)誤差和所處的測試環(huán)境中有一定成分的高頻干擾信號所導(dǎo)致的［8－9］。

圖8 傳感器性能分析前面板

（3）將本系統(tǒng)中的電動機改為帶有編碼器的普通開環(huán)控制系統(tǒng)步進電動機，重新對傳感器進行測試，測試后傳感器各項參數(shù)計算結(jié)果和擬合曲線如圖9所示。通過對比可知，若采用開環(huán)控制系統(tǒng)的步進電動機，傳感器的線性輸出特性和線性度較差。

圖9 采用開環(huán)控制系統(tǒng)控制的傳感器性能分析前面板

（4）為了驗證環(huán)境因素對擋位傳感器的影響，通過該性能測試系統(tǒng)對傳感器進行了試驗。取2只傳感器，其中一只浸入質(zhì)量分數(shù)為5%的鹽水中72h，另一只承受不同方向由噴嘴噴出的水的沖擊若干次，隨后把2只傳感器分別安裝在試驗臺上并用夾具夾緊進行測試，傳感器輸出特性如圖10、圖11所示。

圖10 浸入5%的鹽水中72h后傳感器輸出特性

圖11 承受不同方向由噴嘴噴出的水的沖擊后傳感器輸出特性

另外，在2只傳感器上分別吹入粉塵和鐵屑后進行測試，其傳感器輸出信號的情況如圖12、圖13所示。

圖12 吸入粉塵后傳感器輸出特性

圖13 吸入鐵屑后傳感器輸出特性

從圖10、圖11可知，擋位傳感器的主要性能受浸入鹽水中和承受水的沖擊影響不大。從圖12、圖13可知，擋位傳感器主要性能受粉塵因素影響不大，但鐵屑對擋位傳感器的正常工作影響較大。當(dāng)傳感器粘上鐵屑時，傳感器實際角度電壓曲線偏離理論曲線較大，線性度幅值在負方向上明顯變大，已經(jīng)超出理論幅值的最小值。由于當(dāng)傳感器粘上鐵屑時將影響AMT的正常工作，所以在使用過程中應(yīng)避免出現(xiàn)類似情況。

4 結(jié)束語

本文通過開發(fā)汽車AMT擋位傳感器性能測試系統(tǒng)，對擋位傳感器進行了試驗研究，對傳感器的各項性能進行了測試。試驗結(jié)果表明，利用霍爾效應(yīng)制成的非接觸式汽車AMT擋位傳感器性能優(yōu)良，對環(huán)境的適應(yīng)性較好，在大多數(shù)環(huán)境下能夠精確、快速地完成任務(wù)，能夠滿足實際汽車AMT系統(tǒng)的需要，可廣泛應(yīng)用于自動變速器及其他汽車相關(guān)領(lǐng)域。

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