霍爾式輪速傳感器永磁體磁場均勻性測量方法研究

王 輝，閔永軍，周 菊

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 引言

ABS防抱死制動系統(tǒng)是汽車上重要的主動安全裝置，精確檢測車輪速度是ABS系統(tǒng)正常工作的先決條件[1]?；魻柺捷喫賯鞲衅饕蚱渚哂蓄l率響應(yīng)快和抗電磁波干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)輪速傳感器，成為ABS輪速傳感器的發(fā)展趨勢。永磁體作為霍爾式輪速傳感器的重要組成部分，其磁場分布不均勻會引起傳感器輪速信號的占空比發(fā)生錯誤。占空比作為輪速傳感器檢測的重要指標(biāo)，其正常范圍一般為30%～70%，若超出正常范圍，會被ECU當(dāng)作干擾信號處理掉。因此，當(dāng)霍爾式輪速傳感器中的永磁體磁場分布不均勻時，正常的信號可能會被過濾掉，影響車輪速度的計算精度，使ABS防抱死制動系統(tǒng)控制發(fā)生錯誤[2]。因此，對永磁體磁場均勻性的檢測是保證霍爾式輪速傳感器質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

對于永磁體的磁場測試技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。E.Hirose等[3]建立了以霍爾元件為傳感器的三坐標(biāo)精確測量系統(tǒng)，主要針對回旋加速器中的大型永磁體進(jìn)行測量。何永周[4]從永磁體的分子電流觀點、退磁場、工藝等角度出發(fā)，從理論上分析了影響永磁體外部磁場不均勻性的各種因素。成榮等[5]提出了一種利用霍爾傳感器陣列作為傳感檢測模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度嚴(yán)格正交微位移精密測量方法。楊文英、翟國富等[6]提出了一種利用3個霍爾探頭對小型永磁體空間磁場進(jìn)行三維測量的方法。王臣、楊文英等[7]提供了一種小型永磁體空間磁場的三維測量方法及其測量裝置，能對多種形狀的小型永磁體進(jìn)行磁場測量，但其測量裝置和測量操作復(fù)雜，用于磁場均勻性測量時檢測效率低、成本高。到目前為止，在霍爾式輪速傳感器的生產(chǎn)中，尚沒有精確、高效、低成本的永磁體磁場分布質(zhì)量檢驗方法。

針對上述問題，本文通過研究霍爾式輪速傳感器永磁體周向磁場分布，確定不均勻永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度波動最大的位置，并以此設(shè)計開發(fā)永磁體磁場均勻性測試系統(tǒng)。

1 永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真分析

由永磁體磁場分布特性可知，不均勻永磁體的周向磁場分布也不均勻。本文通過ANSYS建立模型，分別分析均勻永磁體和不均勻永磁體的周向磁場分布情況，研究檢測不均勻永磁體磁場的最佳位置。

1.1 永磁體仿真模型建立

本文以某型號霍爾式輪速傳感器用永磁體實際參數(shù)建立模型，材料型號為N38UE 的Nd-Fe-B永磁體，尺寸為Φ5 mm×4 mm。設(shè)永磁體為線性材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.25 T，磁場強(qiáng)度H=900 000 A/m，相對磁導(dǎo)率μr為

μr=B/μ0H

式中μ0=4π×10-7H/m。

均勻永磁體根據(jù)以上參數(shù)，在ANSYS中建立圓柱形永磁體仿真模型，設(shè)置分析參數(shù)為“Magnetic-Nodal”，單元類型為SOLID96。由于磁場分布不均勻主要是在永磁體的制造過程中，生產(chǎn)工藝導(dǎo)致其成分不均勻造成的。因此，在建立不均勻永磁體的仿真模型時，設(shè)置不均勻永磁體的一部分為不同參數(shù)的永磁材料，參數(shù)為B=1.12 T，H=840 000 A/m。將不均勻材料集中為仿真模型的一部分，占總體的1/6，如圖1所示。

圖1 不均勻永磁體

1.2 沿軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真分析

賦予模型材料屬性后，應(yīng)用ANSYS自動生成，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，自動生成等級為1。定義仿真模型矯頑力為MGXX方向，永磁體磁化方向與建立模型坐標(biāo)系的X軸方向一致。

在均勻永磁體和不均勻永磁體周向距離表面1 mm的位置，分別定義路徑A、B、C、D。如圖2所示，路徑D在永磁體的中間位置，路徑C、B、A在路徑D的右側(cè)沿軸向分布，各路徑之間間隔也為1 mm。

圖2 各路徑分布情況1

1.2.1 均勻永磁體仿真結(jié)果分析

在路徑A、B、C、D上分別取120個點，均勻永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度在各路徑的分布情況見表1。

表1 均勻永磁體各路徑磁場分布情況

從表1中可以看出，同一路徑的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不一致，存在上下波動，不同路徑的波動幅度也不同。路徑A遠(yuǎn)離磁體，測得磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值最小，但是波動幅度最大；路徑B與永磁體端面處在同一平面，由于邊緣效應(yīng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值最大，波動幅度也較大；路徑D處于永磁體中間位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值較小，波動幅度為6.3%，在所有路徑中最小。

1.2.2 不均勻永磁體仿真結(jié)果分析

對于不均勻永磁體，同樣在路徑A、B、C、D上分別取120個點，各路徑磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況見表2。

表2 不均勻永磁體各路徑磁場分布情況1

從表2中可以看出，不均勻永磁體各路徑的磁感應(yīng)強(qiáng)度也存在上下波動，且波動幅度比均勻永磁體大。路徑A的磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值仍然最小，路徑B的磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值最大。處在永磁體中間的路徑D，磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值仍然較小，但是波動幅度達(dá)到了19.0%，在所有路徑中最大。

因此，同一路徑下，不均勻永磁體與均勻永磁體相比，磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值相差不大。但是，不均勻永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度波動幅度比均勻永磁體大很多。更重要的是在均勻永磁體中波動幅度最小的路徑D，在不均勻永磁體中波動幅度最大。

1.3 沿徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真分析

在不均勻永磁體的中間位置，沿徑向分別定義路徑A、B、C、D，如圖3所示。各路徑之間相距0.5 mm，路徑A距離永磁體表面1 mm。

圖3 各路徑分布情況

依然在路徑A、B、C、D上分別取120個點，不均勻永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度在各路徑的分布情況見表3。

表3 不均勻永磁體各路徑磁場分布情況

從表中可以看出，沿徑向方向，不均勻永磁體同一路徑的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不一致。隨著距離的增加，不均勻永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，且波動幅度也逐漸變小。路徑A處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)，且波動幅度最大。當(dāng)距離大于2 mm時，磁感應(yīng)強(qiáng)度下降較快，波動幅度也相對較小。

由以上仿真結(jié)果可以看出，在霍爾式輪速傳感器永磁體沿軸向中間，距離表面2 mm以內(nèi)的位置，永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，且不均勻永磁體相對于均勻永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度波動幅度也較大。通過對此處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度波動幅度的檢測，能方便的判斷出永磁體磁場均勻性是否符合生產(chǎn)要求。

2 磁場均勻性測試系統(tǒng)開發(fā)與試驗

霍爾效應(yīng)法是磁場測量方法之一，因其靈敏度高、干擾小、測量迅速可靠而被廣泛使用，而且霍爾效應(yīng)法中霍爾探頭可以做得很小，在一定場合下能夠?qū)Υ艌鲞M(jìn)行點測量[8]。但是由于霍爾式輪速傳感器永磁體體積很小，普通的霍爾探頭難以直接對其磁場進(jìn)行測量。因此，本文根據(jù)上文仿真結(jié)果，設(shè)計了以磁頭檢測永磁體一周磁感應(yīng)強(qiáng)度波動幅度的磁場均勻性測試系統(tǒng)。

2.1 測試系統(tǒng)

由仿真結(jié)果可知，測試系統(tǒng)需要對永磁體一周磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量，據(jù)此，永磁體磁場均勻性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。該系統(tǒng)主要由電機(jī)系統(tǒng)、傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)組成。電機(jī)系統(tǒng)主要為HLY38x32型號的微型直流伺服電機(jī)，作用是帶動永磁體旋轉(zhuǎn)。傳感器選用型號為APX-2112N的磁頭，檢測永磁體周向磁場變化。信號處理電路采用LM358運放芯片，將磁頭感應(yīng)到的電壓信號進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)由HY-8021多功能數(shù)據(jù)采集板和計算機(jī)組成，HY-8021采集板將放大后的信號采集后傳送給計算機(jī)，然后由計算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。圖中虛線部分為信號占空比的測量，用以驗證不均勻永磁體對霍爾式輪速傳感器信號占空比的影響。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速是該系統(tǒng)很重要的一個參數(shù)，當(dāng)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速過大時，系統(tǒng)偏心距影響也較大，測試結(jié)果波形變形失真；當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，所測波形幅度過小，信號采集困難，因此，調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。根據(jù)仿真結(jié)果，檢測的最佳位置應(yīng)該在永磁體周向中間距離永磁體表面2 mm以內(nèi)的位置，故本系統(tǒng)選取永磁體和磁頭之間的距離為1.7 mm。永磁體放置在調(diào)速電機(jī)輸出軸的端部，調(diào)速電機(jī)輸出軸與放置永磁體的部分均為不導(dǎo)磁的尼龍材料。

系統(tǒng)進(jìn)行測試時，調(diào)速電機(jī)帶動永磁體旋轉(zhuǎn)，磁頭產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號經(jīng)信號處理電路放大后，由數(shù)據(jù)采集卡將信號采集并傳送至計算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

2.2 試驗驗證

系統(tǒng)選取永磁體旋轉(zhuǎn)一周采集數(shù)據(jù)的方差作為系統(tǒng)的特征量，當(dāng)所測永磁體的方差低于系統(tǒng)門限值時為均勻永磁體，反之，則為不均勻永磁體。

先對30個不均勻永磁體進(jìn)行測量，得到方差范圍是0.16～0.3 v2，以方差的最小值0.16 v2作為測試系統(tǒng)的下門限。測量結(jié)果小于0.16 v2為均勻永磁體，大于0.16 v2則為不均勻永磁體。然后分別選取均勻永磁體和不均勻永磁體各100個進(jìn)行測量，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 測試結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，均勻永磁體方差范圍是0.025 6～0.043 3 v2，不均勻永磁體為0.164 8～0.308 v2，所選門限值符合要求，且測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速識別永磁體磁場均勻性是否符合要求。

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用ANSYS對均勻永磁體和不均勻永磁體磁場強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，通過對比，提出了霍爾式輪速傳感器永磁體磁場均勻性檢測方法。并根據(jù)此方法構(gòu)建了永磁體測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能方便快速的判斷出被測永磁體的磁場均勻性是否符合生產(chǎn)要求，且成本較低，能夠滿足生產(chǎn)的需要。