非接触式位置传感器:如何符合节气阀系统对安全及效能的要安全及效能的要求

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磁性位置传感器是汽车设计工程师很喜欢采用的组件,因为这类组件有许多优点,不仅可靠,而且即

使周围震动或是环境遭受污染,还是能提供精准的角位移测量数值。为满足不同汽车功能的需求,磁

性位置传感器供货商不断推出更新、更多样的产品。

 

本文所探讨的就是这个充满活力的传感器市场中的一个应用案例,我们将介绍如何将磁性位置传感器

修改成符合电子式节气阀体这个特定应用的需求。

 

电子式节气阀的运作方式

在使用汽油引擎的汽车里面,进入引擎的空气量都是通过一般称为蝶型阀 (butterfly valve)的节气阀来调节。燃料与空气必须稳定混合,节气阀才能控制引擎每一循环的燃烧状况并排放较少的废气。节气阀通常位于进气歧管 (intake manifold) 入口,在某些较为先进的系统中,节气阀也可能被整合为电子式节气阀体 (ETB) 。

 

旧型柴油引擎中,燃料未经气流控制就被喷射注入汽缸;现今柴油引擎则在进气歧管端,有一个用来支援汽车废气再循环 (Exhaust Gas Recirculation: EGR)的节气阀。汽车排放的废气不仅可以降低燃烧温度,还可符合近期空气质量管理法规降低氮氧化合物 (NOx) 排放的要求。

 

如图1,汽车驾驶人不会直接控制节气阀,因为在驾驶人踩下油门踏板后,信号是通过机械式链接或电子式链接传送到电子式控制单元(ECU);而汽车的传感器测量会追踪加速器把手旋转角度的联动位置。然后ECU 会通过电动执行器 (motorized actuator)精准调节阀门的角度,让效能或是废气排放达到优化。点火器关闭时会有一个强力固定弹簧来维持阀门关闭,而阀门关闭的位置通常被称为低位机械停置点 (Lower Mechanical Stop: LMS)。

 

图1:油门踏板不会直接控制节气阀

1:油门踏板不会直接控制节气阀

 

最大的开启角度就被称为高位机械停置点 (Upper Mechanical Stop:UMS)。而LMS 到 UMS 的幅度通常约为 90°。节气阀位置传感器不仅能侦测此阀门的绝对角度,还能提供稳定、准确的信号给ECU。

 

从接触式向非接触式解决方案转变

传统的角度测量系统是采用有三端点 (VDD, OUT, GND) 的电位计来测量节气阀位置。但是电位计的主要缺点来自于它的运作模式:电位计会产生一个与转动轴角度成正比的模拟电压。但是转动轴的角度是刷子滑过圆形电阻板产生,这会让电位计容易受到灰尘与磨损影响。所以电位计会因为相对低的精准度与耐久度,而不受注重安全的汽车系统制造商青睐。

 

因此汽车系统制造商现在改用霍尔效应感应技术的非接触式传感器。在磁性位置传感器中,有一个两极 (SN) 的磁性盘片固定在阀门的转动轴上。它的角度位置由并列的IC 传感器侦测磁铁与传感器之间微小的空气间隙。磁性位置传感器不仅不会有机械式磨损,而且不受灰尘或油脂污染的影响。

 

ETB 磁性传感器为了维持与现有ECU 与电位计接口的兼容,除了需要能产生成比例的模拟讯号,也需要配备一组三端点拓扑。

 

在量产时位置传感器必须在生产线末端做好程序设定,才能配置所需要的输出电压坡度。例如VDD从10% 到 90%时跨越LMS 到UMS 的幅度。

 

电子式节气阀体设计中的传感器要求

ETB 使用的位置传感器有几个特殊的要求。虽然一般工业及消费应用领域位置传感器有ETB 所需的精准度,但是无法提供高安全要求的汽车环境所需的额外功能,这也正是汽车零件市场上开始出现新型强化位置传感器的原因。

 

第一个特殊要求为冗余 (redundancy)。一个双重冗余传感器是注重功能安全的ETB 系统不可或缺的;在汽车的节气阀系统甚至可能需要三重冗余。图2 显示了使用 AS5262 可以如何提供所需的冗余:AS5262 是针对节气阀与踏板位置感应所量身订制的位置传感器,可以由单晶粒或是双层叠放晶粒(dual stacked dies) 所制成。双晶粒型AS5262 甚至可以利用芯片间的介电垫片做到完全电气绝缘,而且它的架构优势在于:由于两层晶粒可测量到几乎完全相同的磁场值,因此经由简单的比较就能侦测到任一芯片的任何故障。

 

图 2: AS5262 双层晶粒架构能提供单一封装内的备援功能

2AS5262 层晶粒架构能提供单一封装内的备援功能

 

该款 IC 通常被焊接在贴附于节气阀体塑料盖上的印刷电路板(PCB)上;此塑料盖有提供外部电缆线将传感器连结至ECU 的连接器;磁铁固定在阀门的转动轴上。将传感器装在节气阀盖的作用在于可将磁铁与二或三个晶粒对齐,而磁铁与晶粒之间的距离则由系统决定。

 

ETB 应用的第二项要求在于必须有精确的模拟输出。例如AS5262 所提供的输出电压范围从VDD 的10% 到 90%时,LMS 到UMS 的幅度可达 90°。换句话说,它的12 位输出与角度呈线性正比。在360°旋转中 IC 内部实际角度检测可以达到 14 位分辨率;90° 旋转可以达到 12 位的分辨率已经可以应用到ETB;在22.5°的范围内提供 10 位的分辨率,则是汽车加速器踏板或是摩托车把手中能被测量到的最大角度。

 

图三:双层晶粒型AS5262 所产生的电压输出与角度呈线性正比

图三:双层晶粒型AS5262 产生的电压输出与角度呈线性正比

 

AS5262 的高分辨率输出能让ECU 精确地调节节气阀开口,所以可以对驾驶者在加速器踏板上的动作准确地做出反应。线性输出不需要复杂的补偿算法,就能让ECU 简单进行处理。.

 

ETB 应用的第三项要求是不仅要符合汽车行业ISO26262 功能安全性标准,还要能支持额外的功能。这些要求包括:

· 当传感器故障时能够警告系统控制器的诊断功能。例如在 AS5262 中,诊断功能包括磁性侦测、断线侦测,以及提供频段为0-4%或是 96-100%的 VDD 诊断信号。

· 针对过电压、极性相反、以及永久短路的保护功能。

· 针对外部杂散磁场的保护功能。许多磁性位置传感器在四周装屏蔽来保护。这对于AS5262使用者而言是不必要的,因为 AS5262 采用专利的差动式感应技术 (differential sensing technology)。这种技术在组件内使用霍尔传感器的两对差动对 (differential pairs):一对是给 SN向量磁场 (magnetic vector field) 的x (cosine) 组件用,另外一对是给 SN 磁场的y (sine)组件用。内部的数字信号处理器会比较x 及y 的数值,然后计算出 SN 磁场的角度或是幅度。因为传感器是使用比较值而不是绝对值,所以它不会受到杂散磁场的影响。

 

义可容许的最大误差

 

汽车制造商的ETB 规格说明书总会在理想曲线的任一侧包含一项可容许的积分非线性(Integral Non-Linearity: INL) 误差频段;通常 INL 必须小于VDD 的百分之一。在生产线末端 (EOL) 的程序设定,是必须定义横跨整个阀门的旋转幅度内电压信号范围。AS5162 的程序设定方式让用户能够达到制造商所指定的 INL 目标。

 

一般的方式是将节气阀体分别设置在低位机械停置点 (LMS) 及高位机械停置点 (UMS) 的位置上,并且读取由 IC 所测量到的角度,然后在软件中相应设定电压信号的范围。这将可促使系统的INL 误差小于VDD±1%。

 

这个组件也可以针对更严格的精准度,支持在低位机械停置点 (LMS)、高位机械停置点 (UMS)、以及

中间点等位置上的多点校正。虽然需要更多的时间,但它能使INL 的误差小于VDD 的±0.5%。

换句话说,如果仅在低位机械停置点 (LMS) 位置上进行单点校正,速度可以较快。但这仅适用于目

标 INL 误差大于VDD±1%。

 

AS5262 也支持以预先定义的斜率进行预先程序设定。在此,ECU 借由读取在低位机械停置点 (LMS) 上的电压输出进行自我校正。但这仅在目标 INL 误差>VDD±1%或是当ECU 具备学习能力时才适用。

 

铁选择上的灵活性

 

在非接触式位置感应系统中,磁铁是一项如同霍尔效应传感器般重要的部件。且在ETB 的应用中,

系统开发人员需针对磁铁做出重要选择。

 

如图4,因为磁场可能会被减弱及扭曲,因此径向磁化 (diametric magnetisation) 的磁铁无法直接与铁制转动轴接触。这表示有必要在磁铁与转动轴之间隔离, 所以用塑料、铜、黄铜或铝等非磁性材料支架隔离 3mm 是必要的。径向磁铁一般由温度系数非常低的钐钴磁石 (SmCo)或是钕铁硼磁石

(NdFeB)所制成。磁铁与传感器间的标准气隙 (air gap) 距离一般是 1-2mm。

 

相比之下,单面磁化的磁铁可以被直接固定在铁制的转动轴上。单面磁铁一般是由钕铁硼磁石(NdFeB)与NeoFer 48/60p 此类塑料化合物所混制而成,直径为 16mm 及厚度为 2.5mm;并且有非对称的磁力线。因为磁场集中在单侧,所以它可以在磁铁与传感器间支持达3mm 的较大气隙。

 

图 4:可以被使用在像是AS5262 磁性位置传感器的两种磁铁类型

4:可以被使用在像是AS5262 磁性位置传感器的两种磁铁类型

 

AS5262 传感器可与上述任一种磁铁类型共同运作。它仅需要位于IC 内部霍