三維霍爾傳感器技術(shù)在換檔手柄上的應(yīng)用

三維霍爾傳感器技術(shù)在換檔手柄上的應(yīng)用

Applications Using 3D Hall Sensor for

Electrical Shifter

王春權(quán)

(上海交通大學(xué)、車輛工程專業(yè))

WangChunquan

(ShanghaiJIAOTONGUniversity,VehicleEngineeringMajor)

[摘要]霍爾技術(shù)以及霍爾元件已經(jīng)廣泛運(yùn)用于汽車與工業(yè)領(lǐng)域等方面[1]。三維霍爾技術(shù)的發(fā)展，可以檢測(cè)三維空間物體運(yùn)動(dòng)位置和軌跡。汽車用換檔機(jī)構(gòu)，它的手柄在三維空間內(nèi)以一定的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并完成手柄各個(gè)位置的檢測(cè)功能。而通過(guò)使用一個(gè)三維霍爾元件，結(jié)合其它電子元件，能夠完成手柄的各個(gè)位置的檢測(cè)功能。還可以有效地減少換檔手柄的體積和重量。并且傳感元件數(shù)量的減少，使得整個(gè)電氣設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，成本同時(shí)降低。

Abstract[]Hall technology and Hall elements are already widely used in automotive and industrial applications. With the development of 3D Hall sensor technology, it can detect the three dimensional positions and trajectories of moving objects. Automotive Gear Shift Unit, which handles the movement in line with three-dimensional space, and contains different detection modes handle multiple position. Using one 3D Hall sensor, the unit can achieve the multiple positions detection function; in addition effectively reduce the volume and weight of Shifter. And with only one sensor element, it makes the electrical designation being simplified and cost down.

關(guān)鍵詞：三維霍爾技術(shù)換檔手柄三維空間位置檢測(cè)MLX90363

文章編號(hào)：1006-8244(2015)03-022-03

中圖分類號(hào)：U463.212+.3

基金項(xiàng)目6. 來(lái)稿如為各種資助文章，按照國(guó)家有關(guān)部門正式規(guī)定的名稱填寫

Key words: 3D Hall technologyShifterPosition detection of 3D spaceMLX90363

引言

隨著霍爾技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了能夠檢測(cè)在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)磁體或磁場(chǎng)的霍爾傳感器，可稱為三維霍爾傳感器。它能夠檢測(cè)三維空間內(nèi)某一個(gè)位置點(diǎn)的磁場(chǎng)的三個(gè)分量值和大小[2]。如果將三維霍爾傳感器固定在空間某一點(diǎn)，在它臨近的三維空間內(nèi)，有一個(gè)已知的小磁鐵運(yùn)動(dòng)并引起周圍的磁場(chǎng)變化，三維霍爾傳感器可以通過(guò)檢測(cè)它這一點(diǎn)的磁場(chǎng)，獲取X、Y、Z三維方向的磁場(chǎng)分量值，則可以計(jì)算出小磁鐵的位置；如果在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中疊加上時(shí)間分量，則可以獲得小磁體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

汽車用換檔手柄在駕駛員操作時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)方式并不復(fù)雜。在一個(gè)以轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為圓心的半圓球面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)限位及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)限制手柄的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)個(gè)的檔位位置。經(jīng)過(guò)換擋模式和邏輯的判斷，在確定手柄的檔位后發(fā)送給變速箱系統(tǒng)進(jìn)行車輛的換擋操作。

霍爾技術(shù)和霍爾元件已經(jīng)大量應(yīng)用在車輛電控技術(shù)中，如油門踏板，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等平面運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用上，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)不成問題。并且三維霍爾元件的功能，與換擋手柄的運(yùn)動(dòng)相符，可以運(yùn)用到汽車換擋手柄的設(shè)計(jì)方案中。可以使得換擋機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)三維霍爾傳感器，無(wú)需其它傳感器和接觸開關(guān)，即可完成位置檢測(cè)；同時(shí)也可以使得換擋機(jī)構(gòu)更加的靈活，適用于不同的換擋模式，之需要通過(guò)對(duì)手柄的限位機(jī)構(gòu)的更改，以及軟件內(nèi)部的配置更改，就可以完成換擋模式的切換。相對(duì)于傳統(tǒng)的換擋模塊，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小重量輕，更改方便等優(yōu)勢(shì)。

1　三維霍爾傳感器技術(shù)

三維霍爾傳感器技術(shù)是指基于霍爾效應(yīng)，通過(guò)霍爾傳感單元的組合，能夠檢測(cè)空間X,Y,Z三維方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度的一種非接觸式傳感技術(shù)。它的主要應(yīng)用原理是基于通過(guò)多個(gè)一維傳感器或者二維傳感器組合，達(dá)到三維磁場(chǎng)的檢測(cè)能力。同時(shí)它對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)也具有較高的精度和分辨能力。

Melexis公司所生產(chǎn)的MLX90363系列三維霍爾傳感器元件],它是目前應(yīng)用普遍的一款三維霍爾傳感器?；谒腡ria⊕is技術(shù)，使用一片圓形的磁場(chǎng)聚集片[3]，在MLX90316系列的基礎(chǔ)上，增加2個(gè)霍爾感應(yīng)單元，共4個(gè)感應(yīng)單元。圓形磁場(chǎng)聚集片將空間中的磁場(chǎng)聚集到同一個(gè)平面上，通過(guò)霍爾感應(yīng)單元分別檢測(cè)三個(gè)方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算出磁場(chǎng)與各個(gè)平面的夾角，獲得磁體在空間上的位置數(shù)據(jù)[3]。如圖1MLX90363系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，霍爾傳感單元檢測(cè)三個(gè)方向的電壓值Vx，Vy，Vz，經(jīng)過(guò)差分器、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，傳輸給內(nèi)部DSP模塊進(jìn)行位置的計(jì)算和修正，最后由串口SPI通信總線向外發(fā)送對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)值{X，Y，Z}。

圖1　MLX90363系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1　MLX90363 system structure diagram

2　換擋模塊工作原理

結(jié)合MLX90363霍爾傳感器的功能，可以構(gòu)建一個(gè)小范圍內(nèi)移動(dòng)物體的三維位置檢測(cè)系統(tǒng)。如圖2左側(cè)所示的換檔手柄機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，霍爾傳感器右側(cè)，有一個(gè)S極朝向霍爾傳感器的小磁體。而小磁體在三維空間的位置和運(yùn)動(dòng)，將引起MLX90363芯片附近的磁場(chǎng)變化。固定MLX90363的位置，就可以檢測(cè)MLX90363位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以此就可以進(jìn)行小磁體的位置計(jì)算。

如圖2所示的換擋手柄機(jī)構(gòu)示意圖，在它的底部有一個(gè)導(dǎo)向和限位結(jié)構(gòu)，換擋手柄桿繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，并由導(dǎo)向槽限制它的運(yùn)動(dòng)位置。在手柄的中間位置靠近轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置，集成一個(gè)小型磁鐵，其中磁場(chǎng)S極朝向印刷電路板上的霍爾傳感器。通常車輛的換擋模式如圖2右側(cè)，包含P、R、N、D、M、M+、M-兩列共7個(gè)位置。

當(dāng)駕駛員操作換檔手柄桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小磁體前后及上下小范圍運(yùn)動(dòng)，引起霍爾傳感器附近的磁場(chǎng)變化。集成在印刷電路板上的霍爾傳感器可以不停的檢測(cè)三維方向磁場(chǎng)強(qiáng)度值，與集成在印刷電路板上的主控制芯片進(jìn)行通信。經(jīng)過(guò)主控制芯片的計(jì)算與判斷，可以獲得當(dāng)前的手柄位置，即圖2所示的換擋機(jī)構(gòu)的各個(gè)檔位。換擋機(jī)構(gòu)與變速箱進(jìn)行通訊，告知當(dāng)前的駕駛員換擋手柄位置，從而使得整車完成換擋行為。

圖2　機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3　換擋模塊電氣結(jié)構(gòu)

除了三維霍爾傳感器之外，換擋模塊的電氣部分還包括其它三個(gè)部分，如圖3所示，分別為電源管理部分，主控制芯片部分和信號(hào)輸出部分(總線信號(hào)/電壓/電流信號(hào))。通過(guò)共四個(gè)部分之間的電氣信號(hào)的傳輸與邏輯計(jì)算，完成換擋模塊從手柄位置檢測(cè)、判斷和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖3　系統(tǒng)硬件框圖 Fig.3　System hardware diagram

換擋模塊主要在車輛點(diǎn)火后開始工作，所以連接到點(diǎn)火電源即可。電源管理部分將點(diǎn)火電源的12伏電壓轉(zhuǎn)換為5伏電壓，供主控制芯片、霍爾傳感器以及CAN收發(fā)器使用。

因?yàn)閾Q擋模塊的功能比較單一，并且使用三維霍爾傳感器電氣結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。所以主控制芯片可以選用目前常見的單片機(jī)。本例中選擇瑞薩公司的RH850系列芯片。它是一款低成本、低功耗，并具有多種外部接口的32位微處理器。它提供了多種芯片參數(shù)配置，最小48PIN封裝的芯片資源同樣滿足了本方案的應(yīng)用。

與變速箱信號(hào)傳輸，分別使用CAN總線以及備份的I/O線進(jìn)行通訊。在單片機(jī)獲取MLX90363檢測(cè)所得的位置信號(hào)后，根據(jù)各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的檔位，確定當(dāng)前的手柄檔位位置，通過(guò)CAN總線和I/O線向變速箱傳輸，完成整車換擋動(dòng)作。

4　檔位識(shí)別邏輯

在檔位位置識(shí)別和處理過(guò)程中，由霍爾傳感器檢測(cè)手柄不同位置(小磁體不同位置)的三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量值，并經(jīng)傳感器內(nèi)部計(jì)算后傳輸給主控制芯片。主控制芯片實(shí)時(shí)與霍爾傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將獲得的每個(gè)位置磁場(chǎng)值進(jìn)行記錄和判斷，確定手柄的當(dāng)前位置。如圖4所示，按照?qǐng)D2手柄運(yùn)動(dòng)軌跡可得到每個(gè)位置的數(shù)值對(duì)應(yīng)的軌跡圖。因?yàn)樾〈朋w以霍爾傳感器為圓心的球面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)所得位置曲線區(qū)間也是以中心點(diǎn)O為圓心的球面上，分別呈現(xiàn)出“P→R→N→D”和“+→M→-”兩條軌跡區(qū)域。

因?yàn)槭直\(yùn)動(dòng)和導(dǎo)向槽的誤差，每個(gè)位置都會(huì)有一定的誤差存在，所以需要設(shè)定一定的誤差范圍，如圖4中的紅色線條所示。根據(jù)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)以及零件匹配的不同，可以根據(jù)多個(gè)樣品進(jìn)行位置軌跡的確認(rèn)，結(jié)合使用手感及尺寸控制等，選定各個(gè)位置的有效區(qū)間，如圖4中P、R、N、D、M、+、-各檔位的位置區(qū)間。

通過(guò)以上方式確定每個(gè)有效檔位位置的三個(gè)方向磁場(chǎng)數(shù)值(經(jīng)霍爾傳感器計(jì)算后的值){X±Δx，Y±Δy，Z±Δz}，設(shè)定在主控制芯片的配置數(shù)據(jù)區(qū)域?？紤]到手柄操作速度的要求，軟件設(shè)定以每2 ms一次的頻率與霍爾傳感器進(jìn)行通訊，獲得每一個(gè)時(shí)刻的手柄位置值{X’,Y’,Z’}。與預(yù)設(shè)的各個(gè)位置值的區(qū)間進(jìn)行比較判斷，判斷檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是否落在有效位置區(qū)間內(nèi)；同時(shí)還需結(jié)合前次的手柄位置，判斷手柄的運(yùn)動(dòng)軌跡是否如設(shè)定的軌跡運(yùn)行，以防止霍爾傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致的手柄位置跳變。

圖4　檔位位置值域示意

經(jīng)過(guò)計(jì)算和判斷，所確定的手柄位置和檔位值，最終通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)向變速箱模塊進(jìn)行傳輸，由變速箱完成車輛換擋操作。

而對(duì)于不同的換擋模式，只需要改變手柄的限位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，再通過(guò)對(duì)穩(wěn)定的樣品，在手柄運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域。只需要更改軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)區(qū)域配置，無(wú)需更改整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，就可以完成換擋模式的切換，應(yīng)用到不同的車型。

5　總結(jié)

傳統(tǒng)的換擋機(jī)構(gòu)，都需要使用多個(gè)的一維或者二維霍爾傳感器，或者接觸片開關(guān)，通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將手柄的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的開關(guān)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并且不易更改，針對(duì)不同車型需求需要重新設(shè)計(jì)。結(jié)合三維霍爾傳感器技術(shù)，換擋開關(guān)只需要一個(gè)傳感器，并且在機(jī)械設(shè)計(jì)上只需要考慮換擋機(jī)構(gòu)的限位和手柄的運(yùn)動(dòng)。利用霍爾傳感器的非接觸設(shè)計(jì)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)相分離，使得機(jī)械設(shè)計(jì)更加的便利。并且只需要更改限位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和軟件的情況下，就可以完成換擋模式的切換，再結(jié)合手柄的不同設(shè)計(jì)，可以在不改變主體的情況下，使得換擋機(jī)構(gòu)適應(yīng)于不同的車型應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]黃軍霞，易志斌，任亮，霍爾傳感器，學(xué)苑教育，2013(6)89-89.

[2]黃志瑛，李學(xué)武，三軸霍爾傳感器MLX90316，廣西輕工業(yè)，2010(4)49-49.

[3]Melexis，MLX90363 Triaxis Magnetometer IC with High Speed Serial Interface， Rev.004.

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