差分霍爾效應(yīng)傳感器：使未來(lái)的兩輪車應(yīng)用更安全、更可靠

在兩輪和三輪車輛應(yīng)用中，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和車輪速度等進(jìn)行控制的電子設(shè)備使用正在快速增長(zhǎng)，特別是在發(fā)展中國(guó)家。這一趨勢(shì)主要由改善全球空氣質(zhì)量，提高燃油效率和車輛安全性等要求驅(qū)動(dòng)。

這些系統(tǒng)的控制需要能夠在惡劣環(huán)境下工作的可靠的磁傳感器和目標(biāo)，其中常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是在車輛運(yùn)行期間存在由電機(jī)和線圈引起的共模噪聲和雜散場(chǎng)干擾。齒輪磨損、損壞以及目標(biāo)輪混入鐵屑都會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)的減小或丟失。

車輛控制中使用的兩種常見(jiàn)傳感器類型是單霍爾和差分霍爾效應(yīng)傳感器。雖然可以使用單霍爾效應(yīng)傳感器，但差分霍爾效應(yīng)傳感器可針對(duì)下列各種系統(tǒng)可靠性挑戰(zhàn)提供卓越的解決方案。

- 雜散場(chǎng)

- 安裝公差

- 氣隙突然變化

- 動(dòng)態(tài)氣隙變化

單霍爾與差分霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)比

單霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與目標(biāo)齒/谷的形狀有關(guān)，其中在目標(biāo)輪齒形比較大時(shí)峰值場(chǎng)水平最好。信號(hào)基線取決于齒距和磁體設(shè)計(jì)，并且可能隨著氣隙和齒輪尺寸的變化而發(fā)生偏差或漂移，結(jié)果往往體現(xiàn)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)控制非常重要的邊緣精度降低（圖1）。為了減輕這些影響，需要復(fù)雜的磁體系統(tǒng)來(lái)提供接近零的基線場(chǎng)（baseline field）。另一種方法是在傳感器設(shè)計(jì)中添加復(fù)雜的電路，以最小化和校正偏差或漂移。

在一些基本的兩輪和三輪車輛應(yīng)用中，這些傳感器已經(jīng)成功地用于基本的發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器控制系統(tǒng)，一個(gè)不斷加強(qiáng)的趨勢(shì)是某些車型正在具有更高的電氣化水平，包括發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和變速器控制。在這些應(yīng)用中，單霍爾效應(yīng)傳感器通常缺乏抗雜散場(chǎng)和抑制噪聲能力，因而不能滿足較新的車型要求。

圖1：?jiǎn)位魻栃?yīng)傳感器

單霍爾效應(yīng)傳感器可檢測(cè)大目標(biāo)輪，需要注意窄小目標(biāo)輪的偏差偏移。

差分霍爾效應(yīng)傳感器提供在目標(biāo)齒/谷上進(jìn)行邊緣感測(cè)的信號(hào)，信號(hào)形狀大致為正弦波，最高為峰-峰值磁場(chǎng)的兩倍（圖2）。

差分信號(hào)的偏差可以被補(bǔ)償，所用差分信號(hào)相對(duì)零高斯對(duì)稱。因而差分磁體系統(tǒng)可以是具有高共模磁場(chǎng)的簡(jiǎn)單磁體，與單霍爾效應(yīng)傳感器相比，這有助于改善整體氣隙性能。

差分霍爾效應(yīng)傳感器及其相關(guān)的信號(hào)處理電路能夠針對(duì)噪聲和雜散場(chǎng)提供出色的抗干擾和共模抑制能力。通過(guò)減法和偏移降低電路可以減少由于安裝公差或氣隙變化引起的基線漂移。這些技術(shù)的組合能夠?yàn)檐囕v提供所需的性能和可靠性，增強(qiáng)了電氣化以及復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和變速箱控制。此外，這些傳感器的邊緣檢測(cè)能力使它們可用于各種目標(biāo)幾何形狀，特別是在大多數(shù)兩輪車輛應(yīng)用中較多的小尺寸目標(biāo)輪。

圖2：差分霍爾效應(yīng)傳感器

差分霍爾效應(yīng)傳感器能夠檢測(cè)目標(biāo)邊緣，目標(biāo)特征沒(méi)有偏差偏移。

抗雜散場(chǎng)能力

交流（AC）和直流（DC）產(chǎn)生的雜散場(chǎng)可存在于車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中，這對(duì)于速度或方向感測(cè)是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。單霍爾效應(yīng)傳感器無(wú)法補(bǔ)償或抑制DC和AC雜散場(chǎng)。在圖3中，水平虛線表示器件開(kāi)關(guān)點(diǎn)電平（例如625 G和635 G），在無(wú)雜散場(chǎng)條件下能夠輸出切換。在有DC雜散場(chǎng)時(shí)，由DC雜散磁場(chǎng)帶來(lái)的信號(hào)漂移使磁場(chǎng)水平漂移到切換點(diǎn)閾值之外，導(dǎo)致沒(méi)有切換和輸出平坦線。同樣，如果存在AC雜散場(chǎng)，也不能充分地抑制噪聲，并使器件圍繞噪聲頻率“顫動(dòng)”，如輸出開(kāi)關(guān)波形所示（圖3）。這種增大的噪聲可能導(dǎo)致系統(tǒng)控制和時(shí)序錯(cuò)誤，因而可能會(huì)影響車輛的可靠性和性能。

圖3：雜散場(chǎng)干擾對(duì)單霍爾效應(yīng)器件的影響

單霍爾效應(yīng)傳感器無(wú)法充分消除或抑制雜散場(chǎng)干擾。

能夠減輕雜散磁場(chǎng)影響并減少或消除AC和DC干擾信號(hào)的解決方案是差分霍爾效應(yīng)傳感器。差分配置和電路能夠取消施加到傳感器霍爾探頭的共模場(chǎng)。 Allegro的獨(dú)特差分架構(gòu)進(jìn)一步提高了傳感器性能和抗外部干擾的穩(wěn)定性。

圖4顯示了正常運(yùn)行與存在AC和DC雜散場(chǎng)干擾條件下的比較。在DC雜散場(chǎng)存在時(shí)，上兩條跡線顯示施加到每個(gè)霍爾效應(yīng)元件的DC場(chǎng)，下部的跡線則是后續(xù)的差分輸出，這顯示了消除和保持基線接近零高斯的效果。在AC雜散場(chǎng)示例中，AC共模噪聲施加于每個(gè)霍爾效應(yīng)元件，由于傳感器差分輸入和共模噪聲消除（抑制），能夠得到干凈的差分輸出（下部跡線）。在兩種雜散場(chǎng)情況下，都能保持信號(hào)完整性和正確的輸出切換。此外，差分霍爾效應(yīng)傳感器還可以同時(shí)處理DC和AC都同時(shí)存在的情況。

圖4：雜散場(chǎng)干擾對(duì)差分霍爾效應(yīng)器件的影響

差分霍爾效應(yīng)傳感器能夠消除并抑制雜散場(chǎng)干擾。

抗安裝公差影響的能力

雖然單霍爾效應(yīng)傳感器的運(yùn)行與安裝方向無(wú)關(guān)，但安裝后可能會(huì)發(fā)生位置變化，這種位置變化或許引起偏移和信號(hào)幅度減小。圖5顯示了可能的傳感器位移情況，這些位置變化導(dǎo)致與絕對(duì)（安裝）值產(chǎn)生偏差，從而出現(xiàn)DC偏移。圖6例證顯示了偏差可以導(dǎo)致信號(hào)電平下降到低于開(kāi)關(guān)閾值（虛線），導(dǎo)致沒(méi)有切換和輸出平坦線。

通過(guò)使用差分傳感器，可以消除由于安裝位置變化引起的任何偏移，并保持基線接近零高斯。這可確保信號(hào)保持在器件切換閾值范圍內(nèi)，從而無(wú)論位置如何變化，都能保持正常切換（圖7）。

圖5：霍爾效應(yīng)傳感器針對(duì)目標(biāo)的方位

安裝后可能的位置變化。

圖6：安裝引起的偏移對(duì)單霍爾效應(yīng)傳感器的影響

單霍爾效應(yīng)傳感器容易出現(xiàn)輸出平坦線，沒(méi)有切換。

圖7：安裝引起的偏差偏移對(duì)差分霍爾效應(yīng)傳感器的影響

差分霍爾效應(yīng)傳感器能夠保持正常輸出切換。

抗突然氣隙變化影響的能力

“突然”是指從一個(gè)目標(biāo)特征（齒輪齒和谷）到下一個(gè)目標(biāo)特征的氣隙變化，而這種變化并不是給定目標(biāo)輪正常特征的一部分。例如，突然的氣隙變化可能是由齒彎曲或缺失造成的損壞或鐵質(zhì)物體和碎屑侵入目標(biāo)輪表面引起的。圖8示出了由于齒彎曲導(dǎo)致目標(biāo)輪氣隙減小以及單霍爾效應(yīng)傳感器和差分霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生的相關(guān)磁場(chǎng)信號(hào)示例。

在采用單霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，氣隙變化導(dǎo)致偏差偏移和幅度變化超出切換閾值（虛線）。一旦信號(hào)到達(dá)此點(diǎn)，傳感器就會(huì)停止切換并輸出平坦線。

差分霍爾效應(yīng)傳感器能夠消除偏差偏移量，并可測(cè)量信號(hào)幅度變化，結(jié)果信號(hào)保持基線接近零高斯。這能夠使信號(hào)在器件切換閾值內(nèi)，從而確保器件繼續(xù)提供輸出切換，而不受偏差偏移和氣隙減小影響。

圖8：突然氣隙變化引起的偏移對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器的影響

單霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)氣隙變化非常敏感， 差分霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)氣隙變化靈敏度較低。

抗動(dòng)態(tài)氣隙變化影響的能力

在目標(biāo)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以發(fā)生逐漸的或突然的氣隙變化，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)氣隙變化。 目標(biāo)輪每轉(zhuǎn)一圈這種不連續(xù)性通常一致，， 最終結(jié)果是信號(hào)振幅的變化體現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)輪信號(hào)特性。 這種情況下，要求傳感器能夠適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)變化的信號(hào)，以便可以繼續(xù)切換。

對(duì)于兩輪和三輪車輛應(yīng)用，一種形式的氣隙動(dòng)態(tài)變化是目標(biāo)輪跳動(dòng)或擺動(dòng)。 跳動(dòng)是一種與目標(biāo)輪每次旋轉(zhuǎn)相關(guān)的氣隙變化，并且是逐漸地（在多個(gè)齒上）發(fā)生，如圖9所示。一些常見(jiàn)的原因包括軸位置偏心、目標(biāo)輪偏心、目標(biāo)輪損壞/翹曲或在軸/軸承上產(chǎn)生了其他載荷。

總有效氣隙（TEAG）

圖9：跳動(dòng)/擺動(dòng)對(duì)總有效氣隙（TEAG）的影響

使用單霍爾效應(yīng)傳感器發(fā)生跳動(dòng)或擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)測(cè)量偏差和幅度變化，信號(hào)可能會(huì)降至開(kāi)關(guān)點(diǎn)閾值以下并丟失，致使速度脈沖丟失（圖10），導(dǎo)致出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤或故障。

圖10：跳動(dòng)/擺動(dòng)對(duì)單霍爾效應(yīng)傳感器的影響

單霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)氣隙變化非常敏感。

差分霍爾效應(yīng)傳感器能夠消除偏差，防止基線偏移（圖11），使信號(hào)保持在器件切換點(diǎn)閾值的中心，即使在信號(hào)變化的情況下也能繼續(xù)正確切換。

圖11：跳動(dòng)/擺動(dòng)對(duì)差分霍爾效應(yīng)傳感器的影響

差分霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)氣隙變化不太敏感。

改進(jìn)信號(hào)完整性和系統(tǒng)性能的其他方法

兩輪和三輪車輛的電氣化程度將繼續(xù)變得越來(lái)越高，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和輪速電子控制的最安全、最可靠性能，差分霍爾效應(yīng)傳感器是優(yōu)于單霍爾效應(yīng)傳感器的出色解決方案。

為了進(jìn)一步改善信號(hào)完整性和系統(tǒng)性能，請(qǐng)考慮以下建議：

1. 使用封裝內(nèi)集成有電容的傳感器，通過(guò)減小電容和其他器件電路之間的電阻來(lái)改進(jìn)EMC性能。這種方法還能夠減少裝配分立元件的輔助印刷電路板（pcb），從而降低系統(tǒng)總體成本。2. 采用IC和優(yōu)化的背磁磁體一體成型封裝，可以使得生產(chǎn)制造簡(jiǎn)單，，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有一致的性能和增強(qiáng)的可靠性。3. 使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的抗干擾能力強(qiáng)的峰值檢測(cè)算法。