科技创新导报2010 NO.27
工 程 技 术
汽车霍尔角度传感器的设计与研究
许迪
(天津大学 天津 100086)
摘 要:自适应前照明系统(AFS),是一种能适应各种不同环境条件的智能前照灯系统,根据车辆所处的不同速度、环境及天气状况,能通过改变前照灯光束状态自动优化照明。本文详细分析了角度传感器的基本结构,并在此基础上,着重研究霍尔效应角速度传感器。关键词:AFS 转向角度传感器 MULTISIM仿真 霍尔效应中图分类号:U46文献标识码:A文章编号:1674-098X(2010)09(c)-0080-02
随着社会的发展和技术的进步,汽车行本IC只利用旋转磁铁在IC上磁通量的平行驶的周边环境变得越来越复杂多样。道路的分量(即BX)。
限速不同、路面的照明不同、行人的密度不当径向磁铁(通过圆形磁铁平面的磁同、天气条件的环境不同,使得传统上只具场)在IC上面旋转时,磁通分量Bx正
弦波,有近光和远光两种照明模式的前照灯,已无Bx正比于sine(
)。
法满足人们日益增长的行驶安全需要。
原始霍尔信号Vx与Bx成正比。放大后,芯片的嵌入式DSP执行以下运算,得到角度1 霍尔效应角度传感器的设计与研究
信息:
1.1霍尔效应
(1)
置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方其中:
向会产生一附加的横向电场,这个现象是Vx为X方向的原始霍尔信号;霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现Vxmax为X方向的霍尔信号最大值;的,后被称为霍尔效应。
α为角度。
由于半导体中的载流子浓度比金属由于本霍尔芯片直接输出其上旋转磁小,所以半导体更适宜制作霍尔器件。自从铁的角度位置(最大360°),实际上就是传感霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经器IC的旋转位置。历了三个阶段。第一阶段是从霍尔效应的1.3信号处理电路
发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属两个霍尔片的输出信号是两个正弦的材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分电压信号,电压信号大小范围基本在0～微弱,所以没有引起人们的重视。
150mV之间,我们根据此变化范围来制定第二阶段是从20世纪40年代中期半导后面的电路设计。
体技术出现之后,随着半导体材料、制造工(1)运算放大器,在信号处理电路的设艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔计中,运算放大器和二极管是关键元件,其元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的参数的选择将直接影响电路功能的实现和发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造电路性能的优劣。本节将简要说明运算放的各种磁场传感器。
大器和二极管的主要参数。
第三阶段是自20世纪60年代开始,随着运算放大器是在20世纪40年代作为模集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导拟计算机的功能元件开发出来的,它的主体元件和相关的信号调节电路集成在一起要电气参数有:
的霍尔传感器。
①输入失调电压。如果运算放大器的1.2角度传感器探测部分的结构及工作原两个输入端接地,理想运算放大器的输出理
应该为零,但是对于实际运算放大器其输在通常的非接触式角度传感器中,能出不为零。这时,用直流输出电压除以增益感应的角度是非常有限的,一般都在100度得到的等效输入电压称为输入失调电压。以内,而且温度漂移很严重。此角度传感器输入失调电压越小越好,如果它较大,则运基于霍尔技术的单块集成传感芯片。传统算放大器的工作增益将受到很大限制。
的平面霍尔器件仅仅感应垂直于IC表面的②输入偏置电流。这是运算放大器输磁通量,而本霍尔器件还感应平行于IC表入端流进或流出直流电流的平均值,其值面的磁通量,这是归功于沉积在晶片表面越小越好,当其较大时,输入端接的电阻大的集成磁场集中器(IMC)。
小将受到限制。
作为非接触旋转位置传感器的芯片,
③输入电阻。就是运算放大器两输入端的差动输入电阻,该值越大越好,相对与
８０
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输入失调电压和输入偏置电流,它的影响很小。
④开环电压增益。运算放大器将输出端对量输入端的的差值的放大倍数成为电压增益,对于理想运算放大器来说,开环增益应该是无限大的。
⑤电压摆率。若输入电压变化很快,则运算放大器输出将出现可能不能跟踪其变化的情况。而电压摆率就是表征这种跟踪性能的参数,即单位时间内输出电压的变化量,单位一般为V/μs。该值越大越好,理想运算放大器的电压摆率应该为无限大,但是对于实际运算放大器,摆率较大的一般其他性能较差。
(2)ADC的选用与研究,根据对前面的电路的分析及输出结果的研究,我们希望能选择一个满足条件的ADC转换器。经过多次调查及查阅资料,我们决定使用ADI公司的ADC7476的ADC芯片,以下为对此ADC的研究。
当ADC开始进入转换阶段时,SW2开启并且SW1移向了位置B,这种移动引起了对比器的不平衡状态。控制逻辑和电荷重新分配数模转换器被用来增加或减少从采样电容获得的电荷的数量,以此来使比较器重新回到平衡。当比较器回到平衡时,模数的转换就完成了。逻辑控制电路产生了ADC输出信号。
1.4霍尔角度传感器的工作性能参数
磁敏传感器的输入-输出关系特征是其基本特征。由于传感器的输出信号随时间变化相对缓慢,所以这里讨论的主要是它的稳态特征。衡量磁敏传感器特性的重要指标是线性度、精确度、最小检测量和分辨力、重复性、温度漂移和零点漂移。
独立线性度L
传感器的独立线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。换句话说,也就是要测量传感器的非线性特征,测量方次不高的非线性项的最常用的手段是使用切线或
割线等直线来近似的代表实际曲线的一段。
(2)
工 程 技 术
拟合曲线的获得有多种标准,一般是在标称输出范围中和标定曲线的各点偏差平方之和最小(最小二乘法原理)的直线作为拟合直线(也称参考直线)。也通过此偏差来表示曲线和拟合直线的偏离程度。
精确度(精度)
精确度含有精密度和正确度两者之和的意思,即测量的综合优良程度。通常精确度是以测量误差的相对值来表示。
在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠程度,引入一个精确度等级的概念,用A来表示。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分比数值进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下,其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用以下式表示
(3)
式中A为传感
器的精度;
为测量范围内允许的最大绝对误
差;
为满量程输出。
传感器设计和出厂检测时,其精度等级代表的误差指传感器的最大允许误差。
最小检测量和分辨力
最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限值。最小检测量越小,表示传感器检测微量的能力越高。
由于传感器的最小检测量易受噪声的影响,所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量,用公式表示为
(4)
式中M为最小检测量
C为系数N为噪声电平K为传感器的灵敏度重复性
重复性表示传感器在输入量按同一方向做全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。多次重复测试的曲线重复性好,误差也小。不重复性指标一般采用
最大不重复误差
与标准值的百分比表示:
(5)但重复性误差是属于随机误差性质的,校准数据的离散程度是与随机误差的精密度相关的,应该根据标准偏差来计
算重复性指标。因此,重复性误差可按下式
计算:
(6)
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科技创新导报
式中
为标准偏差
进而优化照明的系统。文中通过对AFS研误差服从正态分布,标准偏差可以根究现状及发展趋势进行分析,认为其具有据贝塞尔公式来计算:
很好的发展前景。角度传感器作为其核心
(7)
部件直接关系着AFS系统的优劣,经过对不同原理的角度传感器进行对比,发现霍式中:
为测量值;为测量值的算术平
尔效应传感器有非接触,体积小,精度优均值;n为测量次数。
良,噪声小等特点,但同时也有不能进行由此可以计算灵敏度和独立线性度的360°测量的缺点。在查阅了相关资料后及重复性误差。
分析其测量角度不足的原因后,设计出一温度漂移
款可以360°测量的霍尔效应传感器。
温漂表示温度变化时,传感器输出值经过对测量部分的输出特性的测量,的偏离程度。一般以温度变化1摄氏度输出我们的出其输出电压与角度之间呈正弦函最大偏差与满量程的百分比表示。
数的关系,并且输出峰值为150mv。由于测
(8)
量部分的输出是差分输出,所以选用了具式中:
为输出最大偏差
有差分输入的,具有高共模抑制比和高输为温
度变化范围入阻抗的仪表放大器。通过调试,发现在增为满量程输出益带宽积大于20MHz的时候可以准确的放零点漂移
大输出。在ADC选择上使用ADI公司的传感器无输入(或某一输入值不变)时,AD7476,其具有12BITS位宽,足以满足0.1每隔一段时间进行读数,其输出偏离零值度的精度需要。经过仿真,结果符合。
(或原表示值),即为零点漂移。
近年来,汽车角速度传感器的发展已经显示出了其势不可挡的发展趋势,在汽
(9)
车的各个零部件中都有广泛的应用,尤其式中:为最大
零点偏差;
为满量
是在当今的汽车工业中,AFS得到了充分程输出
的普及,越来越多的汽车将装载这一系统,1.5霍尔角度传感器的特点
而角度传感器作为其核心部件,其具有巨传感器基于霍尔芯片对磁场的非接触大的发展潜力和发展空间。相信随着技术特性,主要有以下特点:
的进一步发展,角度传感器将向着精度更1)转矩小。由于采用非接触特性,在转高,造价更低发展。
动过程中只有旋转轴上的两个轴承产生摩擦,其它都没有接触,而其负荷只是微型磁参考文献
钢,惯性损耗小,因此转矩小。
[1]Ch.Boehlau,Multibeam LIDAR ACC
2)机械响应速度快,因为没有其它摩擦Approaching the Start of Production“阻力,响应速度只与微型轴承最大允许转05”,Proceedings of ISAL 2005,6th速有关,可用于5000r／min高转速的旋转角International Symposium
on
度检测;
Automotive.
3)噪声小。因输出端没有接触电刷的摩[2]J.马瑞克,H.-P.特拉汉,Y.苏左克等．
擦,不但没有动噪声对测试信号的干扰,而汽车传感器[M]．北京:化学工业出版且显著改善电路的信噪比:而且因为没有社,2004．348～365．
摩擦电火花产生,在可燃性环境下使用安[3]马场清太郎．运算放大器应用电路设计
全可靠;没有旋转摩擦,工作寿命只与轴承[M]．北京:科学出版社,2007．13～18,有关,大大提高了角度传感器的工作寿命。
213～218,225～227．
4)旋转角度为360°,且无止档,角度传[4]王雪文,张志勇．传感器原理及应用
感器可以连续旋转。
[M]．北京:北京航空航天大学出版社,5)体积小、重量轻,低压直流工作,具有2004．1～10．
较强的耐恶劣环境能力,适合不同条件的工作环境。
2 结语
智能前照灯系统是一种能够通过探测各种环境如转向角度,天气,改变光束状态
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汽车霍尔角度传感器的设计与研究
许迪
(天津大学 天津 100086)
摘 要:自适应前照明系统(AFS),是一种能适应各种不同环境条件的智能前照灯系统,根据车辆所处的不同速度、环境及天气状况,能通过改变前照灯光束状态自动优化照明。本文详细分析了角度传感器的基本结构,并在此基础上,着重研究霍尔效应角速度传感器。关键词:AFS 转向角度传感器 MULTISIM仿真 霍尔效应中图分类号:U46文献标识码:A文章编号:1674-098X(2010)09(c)-0080-02
随着社会的发展和技术的进步,汽车行本IC只利用旋转磁铁在IC上磁通量的平行驶的周边环境变得越来越复杂多样。道路的分量(即BX)。
限速不同、路面的照明不同、行人的密度不当径向磁铁(通过圆形磁铁平面的磁同、天气条件的环境不同,使得传统上只具场)在IC上面旋转时,磁通分量Bx正
弦波,有近光和远光两种照明模式的前照灯,已无Bx正比于sine(
)。
法满足人们日益增长的行驶安全需要。
原始霍尔信号Vx与Bx成正比。放大后,芯片的嵌入式DSP执行以下运算,得到角度1 霍尔效应角度传感器的设计与研究
信息:
1.1霍尔效应
(1)
置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方其中:
向会产生一附加的横向电场,这个现象是Vx为X方向的原始霍尔信号;霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现Vxmax为X方向的霍尔信号最大值;的,后被称为霍尔效应。
α为角度。
由于半导体中的载流子浓度比金属由于本霍尔芯片直接输出其上旋转磁小,所以半导体更适宜制作霍尔器件。自从铁的角度位置(最大360°),实际上就是传感霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经器IC的旋转位置。历了三个阶段。第一阶段是从霍尔效应的1.3信号处理电路
发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属两个霍尔片的输出信号是两个正弦的材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分电压信号,电压信号大小范围基本在0～微弱,所以没有引起人们的重视。
150mV之间,我们根据此变化范围来制定第二阶段是从20世纪40年代中期半导后面的电路设计。
体技术出现之后,随着半导体材料、制造工(1)运算放大器,在信号处理电路的设艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔计中,运算放大器和二极管是关键元件,其元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的参数的选择将直接影响电路功能的实现和发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造电路性能的优劣。本节将简要说明运算放的各种磁场传感器。
大器和二极管的主要参数。
第三阶段是自20世纪60年代开始,随着运算放大器是在20世纪40年代作为模集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导拟计算机的功能元件开发出来的,它的主体元件和相关的信号调节电路集成在一起要电气参数有:
的霍尔传感器。
①输入失调电压。如果运算放大器的1.2角度传感器探测部分的结构及工作原两个输入端接地,理想运算放大器的输出理
应该为零,但是对于实际运算放大器其输在通常的非接触式角度传感器中,能出不为零。这时,用直流输出电压除以增益感应的角度是非常有限的,一般都在100度得到的等效输入电压称为输入失调电压。以内,而且温度漂移很严重。此角度传感器输入失调电压越小越好,如果它较大,则运基于霍尔技术的单块集成传感芯片。传统算放大器的工作增益将受到很大限制。
的平面霍尔器件仅仅感应垂直于IC表面的②输入偏置电流。这是运算放大器输磁通量,而本霍尔器件还感应平行于IC表入端流进或流出直流电流的平均值,其值面的磁通量,这是归功于沉积在晶片表面越小越好,当其较大时,输入端接的电阻大的集成磁场集中器(IMC)。
小将受到限制。
作为非接触旋转位置传感器的芯片,
③输入电阻。就是运算放大器两输入端的差动输入电阻,该值越大越好,相对与
８０
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输入失调电压和输入偏置电流,它的影响很小。
④开环电压增益。运算放大器将输出端对量输入端的的差值的放大倍数成为电压增益,对于理想运算放大器来说,开环增益应该是无限大的。
⑤电压摆率。若输入电压变化很快,则运算放大器输出将出现可能不能跟踪其变化的情况。而电压摆率就是表征这种跟踪性能的参数,即单位时间内输出电压的变化量,单位一般为V/μs。该值越大越好,理想运算放大器的电压摆率应该为无限大,但是对于实际运算放大器,摆率较大的一般其他性能较差。
(2)ADC的选用与研究,根据对前面的电路的分析及输出结果的研究,我们希望能选择一个满足条件的ADC转换器。经过多次调查及查阅资料,我们决定使用ADI公司的ADC7476的ADC芯片,以下为对此ADC的研究。
当ADC开始进入转换阶段时,SW2开启并且SW1移向了位置B,这种移动引起了对比器的不平衡状态。控制逻辑和电荷重新分配数模转换器被用来增加或减少从采样电容获得的电荷的数量,以此来使比较器重新回到平衡。当比较器回到平衡时,模数的转换就完成了。逻辑控制电路产生了ADC输出信号。
1.4霍尔角度传感器的工作性能参数
磁敏传感器的输入-输出关系特征是其基本特征。由于传感器的输出信号随时间变化相对缓慢,所以这里讨论的主要是它的稳态特征。衡量磁敏传感器特性的重要指标是线性度、精确度、最小检测量和分辨力、重复性、温度漂移和零点漂移。
独立线性度L
传感器的独立线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。换句话说,也就是要测量传感器的非线性特征,测量方次不高的非线性项的最常用的手段是使用切线或
割线等直线来近似的代表实际曲线的一段。
(2)
工 程 技 术
拟合曲线的获得有多种标准,一般是在标称输出范围中和标定曲线的各点偏差平方之和最小(最小二乘法原理)的直线作为拟合直线(也称参考直线)。也通过此偏差来表示曲线和拟合直线的偏离程度。
精确度(精度)
精确度含有精密度和正确度两者之和的意思,即测量的综合优良程度。通常精确度是以测量误差的相对值来表示。
在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠程度,引入一个精确度等级的概念,用A来表示。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分比数值进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下,其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用以下式表示
(3)
式中A为传感
器的精度;
为测量范围内允许的最大绝对误
差;
为满量程输出。
传感器设计和出厂检测时,其精度等级代表的误差指传感器的最大允许误差。
最小检测量和分辨力
最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限值。最小检测量越小,表示传感器检测微量的能力越高。
由于传感器的最小检测量易受噪声的影响,所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量,用公式表示为
(4)
式中M为最小检测量
C为系数N为噪声电平K为传感器的灵敏度重复性
重复性表示传感器在输入量按同一方向做全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。多次重复测试的曲线重复性好,误差也小。不重复性指标一般采用
最大不重复误差
与标准值的百分比表示:
(5)但重复性误差是属于随机误差性质的,校准数据的离散程度是与随机误差的精密度相关的,应该根据标准偏差来计
算重复性指标。因此,重复性误差可按下式
计算:
(6)
2010 NO.27
科技创新导报
式中
为标准偏差
进而优化照明的系统。文中通过对AFS研误差服从正态分布,标准偏差可以根究现状及发展趋势进行分析,认为其具有据贝塞尔公式来计算:
很好的发展前景。角度传感器作为其核心
(7)
部件直接关系着AFS系统的优劣,经过对不同原理的角度传感器进行对比,发现霍式中:
为测量值;为测量值的算术平
尔效应传感器有非接触,体积小,精度优均值;n为测量次数。
良,噪声小等特点,但同时也有不能进行由此可以计算灵敏度和独立线性度的360°测量的缺点。在查阅了相关资料后及重复性误差。
分析其测量角度不足的原因后,设计出一温度漂移
款可以360°测量的霍尔效应传感器。
温漂表示温度变化时,传感器输出值经过对测量部分的输出特性的测量,的偏离程度。一般以温度变化1摄氏度输出我们的出其输出电压与角度之间呈正弦函最大偏差与满量程的百分比表示。
数的关系,并且输出峰值为150mv。由于测
(8)
量部分的输出是差分输出,所以选用了具式中:
为输出最大偏差
有差分输入的,具有高共模抑制比和高输为温
度变化范围入阻抗的仪表放大器。通过调试,发现在增为满量程输出益带宽积大于20MHz的时候可以准确的放零点漂移
大输出。在ADC选择上使用ADI公司的传感器无输入(或某一输入值不变)时,AD7476,其具有12BITS位宽,足以满足0.1每隔一段时间进行读数,其输出偏离零值度的精度需要。经过仿真,结果符合。
(或原表示值),即为零点漂移。
近年来,汽车角速度传感器的发展已经显示出了其势不可挡的发展趋势,在汽
(9)
车的各个零部件中都有广泛的应用,尤其式中:为最大
零点偏差;
为满量
是在当今的汽车工业中,AFS得到了充分程输出
的普及,越来越多的汽车将装载这一系统,1.5霍尔角度传感器的特点
而角度传感器作为其核心部件,其具有巨传感器基于霍尔芯片对磁场的非接触大的发展潜力和发展空间。相信随着技术特性,主要有以下特点:
的进一步发展,角度传感器将向着精度更1)转矩小。由于采用非接触特性,在转高,造价更低发展。
动过程中只有旋转轴上的两个轴承产生摩擦,其它都没有接触,而其负荷只是微型磁参考文献
钢,惯性损耗小,因此转矩小。
[1]Ch.Boehlau,Multibeam LIDAR ACC
2)机械响应速度快,因为没有其它摩擦Approaching the Start of Production“阻力,响应速度只与微型轴承最大允许转05”,Proceedings of ISAL 2005,6th速有关,可用于5000r／min高转速的旋转角International Symposium
on
度检测;
Automotive.
3)噪声小。因输出端没有接触电刷的摩[2]J.马瑞克,H.-P.特拉汉,Y.苏左克等．
擦,不但没有动噪声对测试信号的干扰,而汽车传感器[M]．北京:化学工业出版且显著改善电路的信噪比:而且因为没有社,2004．348～365．
摩擦电火花产生,在可燃性环境下使用安[3]马场清太郎．运算放大器应用电路设计
全可靠;没有旋转摩擦,工作寿命只与轴承[M]．北京:科学出版社,2007．13～18,有关,大大提高了角度传感器的工作寿命。
213～218,225～227．
4)旋转角度为360°,且无止档,角度传[4]王雪文,张志勇．传感器原理及应用
感器可以连续旋转。
[M]．北京:北京航空航天大学出版社,5)体积小、重量轻,低压直流工作,具有2004．1～10．
较强的耐恶劣环境能力,适合不同条件的工作环境。
2 结语
智能前照灯系统是一种能够通过探测各种环境如转向角度,天气,改变光束状态
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