采用圆柱形永磁体的汽车电子排挡的开发*

周晓翠，孙 炜，陈彩霞

(湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)

前言

目前，汽车电子排挡主要是在挡杆下放置一块永磁体，拨动挡杆时，永磁体随着挡杆一起运动，电路板上的霍尔传感器感应不同位姿的永磁体在空间中产生的磁感应强度，从而产生不同的输出以实现换挡功能，因此研究永磁体在空间中的磁场分布对汽车电子排挡的设计起关键作用。本文中针对最常用的圆柱形永磁体进行分析，利用其原理实现汽车电子排挡设计的目的。

永磁体的磁场计算有多种方法，主要有等效磁荷法、磁偶极子模型法、Maxwell应力法、等效电流模型和有限元分析方法等，但其计算均非常复杂。文献［1］中介绍了等效磁荷模型的有限差分法，使用这种方法计算磁感应强度时等效电源的个数和位置只能凭经验确定，具有一定的盲目性。文献［2］中给出了磁偶极子模型及其计算方法，其缺点是测试点到磁体的距离必须小于磁体的半径，因此该方法只能用于近场的求解。文献［3］中利用Maxwell应力法分析计算了永磁磁力轴承的磁感应强度，该法只适用于大型永磁磁力的磁场分布，具有一定的局限性。等效电流模型是根据Maxwell分析方法推导出来的解析式［4］，在目前使用的永磁体形状中，只有长方体能使用该解析式解得磁体空间磁场分布。有限元法是分析电磁场比较常用的一种数值方法［5］，它能够计算不同材料和形状磁体的磁感应强度，但其计算量很大［6］，须用专用的磁场仿真软件来分析，如ANSYS或ANSOFT软件。

本文中对目前汽车电子排挡系统中最常用的圆柱形永磁体［7］建立了数学模型，采用数值方法计算磁体在空间任意一点的磁感应强度，为电子排挡的电路设计提供理论依据，并设计了相关辅助仿真软件，能够快速方便地根据磁体的位姿得到电路板上的触发区域，从而确定传感器在电路板上的分布。

1 圆柱形永磁磁场的计算

在库仑模型［8］的基础上，采用数值法对圆柱形轴向充磁永磁体的磁感应强度进行分析计算，以圆柱下表面中心为圆心建立如图1所示的圆柱坐标系，设圆柱的半径为R，高度为h，Z轴是此坐标系的对称轴。

一般情况下，对于沿磁化方向均匀充磁的磁体来说，体电荷密度为零［1］，只存在面电荷密度，即

式中:ρm为磁体的体电荷密度;μ0为真空中的磁导率，μ0=4π ×10－7H/m;▽为旋度符号，Br为永磁体的剩余磁化强度。设磁体上下表面的面电荷密度分别为+σ*和－σ*，在空间中任意一点 M(r，z)的磁场强度H(r，z)由上下两个表面分别在该点产生的磁场强度叠加，即

其中:

P1+和P1－分别为位于两个表面上的点，两个点与对称轴之间的距离r相等，两点的高度差即为磁体高度，设分别为图1所示圆柱坐标系中的单位向量，则和分别由下式给出:

因此，上下两个表面分别在M点产生的磁场强度可由如下解析式得到:

利用上式计算出空间中任意一点的磁场强度H后，可根据磁感应强度B与磁场强度H的关系求出对应的磁感应强度为

2 磁场模型在电子排挡电路辅助设计中的应用

开关型霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它对外加磁场的大小和方向都很敏感，在给传感器两端加上恒定的电流或电压时，其输出数值由磁感应强度的大小来确定，当作用其上的磁感应强度大于其动作点Bop时，传感器输出0，而当磁感应强度小于其释放点Brp时，传感器输出1。

常用电子排挡的基本原理如图2所示，当驾驶员拨动挡杆时，永磁体随挡杆而运动，电路板上的霍尔传感器则感应该磁场的变化，根据多个传感器的输出组合即可判断挡位的选择。

由于选择的挡位不同，磁体在电路板上所触发的区域位置也不同，因此可以利用上节所述永磁体磁感应强度的计算方法，结合开关型霍尔传感器的动作点参数，建立相应的圆柱形永磁体触发区域模型。利用MATLAB编程设计了相关的辅助仿真软件，界面如图3所示，根据传感器的动作点可计算出不同位姿圆柱形永磁体在电路板上的触发区域，并能够在三维坐标系中画出该区域，电子排挡设计人员可通过仿真软件查看触发区域，以此来取代传统的实物测试方法，该软件能够为设计人员在确定霍尔传感器的布局时提供决策参考，从而大大减少设计人员的工作量。

该软件能根据不同尺寸的圆柱形磁体和不同型号的传感器来分析触发区域的位置，对于不同型号的传感器，只要改变其动作点就可得到相应的触发区域，其基本功能如下:

(1)磁体参数设置 包括面电荷密度、圆柱形永磁体的高度和半径，以及磁体所用材料相对磁导率的设置;

(2)磁体位置设置 根据磁体下表面中心相对于电路板的坐标、旋转角度和旋转中心点距离电路板的高度来确定磁体的空间位姿;

(3)传感器动作点设置 根据不同型号的传感器设置相应的动作点，对于相同的磁体，若传感器的动作点增大，则相应的触发区域会缩小，反之区域扩大;

(4)画磁体 根据用户设定的磁体形状参数及磁体颜色在三维绘图区中形象地画出空间中不同位姿的圆柱形磁体;

(5)触发区域分析 根据不同位姿的磁体和传感器参数在三维坐标系中画出相应的触发区域;

(6)查看触发区域 将触发区域显示在二维坐标系中，使设计人员能够快捷直观地根据分析结果设计传感器的布局。

3 实验验证

3.1 集手/自一体的电子排挡

首先针对集手/自一体的汽车电子排挡系统，运用所建立的磁场分析模型和仿真软件进行电路设计。该款汽车排挡布局如图4所示，排挡共包括6个挡位，分别为空挡、手/自动切换挡、升挡、降挡、前进挡和倒挡，硬件电路板除去左边的接口部分，尺寸为60mm×55mm。永磁体由最常用的稀土永磁材料铷铁硼制成，该材料的性能参数为:σ*=1.3T，μr=1.15H。圆柱形磁体的半径为3mm，高度为8mm，当挡杆位于空挡(即挡杆所在平面与电路板所在平面相互垂直)时，磁体的下表面与电路板所在平面的垂直距离为3.95mm，如图5所示。

由于该系统采用的永磁体体积小，产生的磁场相对较弱，而前进挡和倒挡在机械上与其它挡位之间的距离较远，为使在换挡过程中产生的信号连续，采用9个霍尔传感器排列成“土”字型的方式来确定汽车排挡的6个挡位，其中传感器7、8和9在电路板上处于半稳态位置，用于输出连续信号并防止误触发。

此外，磁体旋转时，还须确定一个旋转中心，该排挡的UG模具模型如图6所示，从图中可看出磁体的旋转中心至电路板的距离为64mm，根据挡杆旋转的机械特性，磁体在各个挡位的空间位置可通过一系列坐标变换确定。

采用PIC16F631型单片机为核心控制单元设计硬件电路，并选择Allegro公司生产的A1121开关型霍尔传感器作为磁场检测的器件。该传感器灵敏度高，且体积小，非常适合用于小体积电路板的集成，A1121传感器的动作点为95G，释放点为75G，其尺寸为2.98mm×1.92mm×0.9mm。利用磁场区域分析仿真软件，并根据磁体在6个挡位上的空间位姿分别画出相应地触发区域，以此来确定并优化霍尔传感器在电路板上的布局，仿真界面如图7所示。

实验表明，只要在不同的颜色区域相应地放置一个霍尔传感器即能保证在每个挡位下都会有传感器被触发但又不存在两个传感器均被触发的错误状态。该软件可通过“查看触发区域”按钮来精确直观地查看各挡位触发区域的二维图，本文中仿真的6个挡位区域二维图如图8所示。

根据图8仿真结果，设计人员只要保证在一个区域内相应地放置一个霍尔传感器即可满足电子排挡的设计要求，因此，设计传感器在电路板上的布局如图9所示。

当驾驶员拨动挡杆时，9个传感器的触发状态信号同时输入到单片机进行处理并输出4位逻辑值，以此识别驾驶员选择的挡位，表1示出不同挡位传感器的输出逻辑，用于编程实现换挡功能。

表1 集手/自一体电子排挡上9个霍尔传感器的输出逻辑

根据霍尔传感器在电路板上的相对位置和表1所示的传感器逻辑输出值，再结合汽车电子排挡的换挡原理，设计了相关硬件电路并实现以PIC16F631为核心控制单元的控制电路，图10为制作的硬件电路实物图。经过测试，当磁体分别处于6个挡位时，只对应一个霍尔传感器被触发，且不存在传感器的误触发现象，该汽车电子排挡系统完全符合设计要求。

3.2 全自动汽车电子排挡

所讨论的全自动汽车电子排挡只有3个挡位，分别为R(倒挡)、N(空挡)和D(前进挡)，且3个挡位于一条直线上，该款汽车采用的永磁体是硬磁材料AlNiCo，该材料的面电荷密度为0.88T，相对磁导率为2H，而磁体高度和半径分别为3和2mm，霍尔传感器使用的是Melexis公司生产的US5782，该传感器工作电压范围大，且灵敏度较高，其动作点为120G，释放点为70G，当挡杆位于空挡时，磁体下表面与传感器之间的距离为5mm，而磁体的旋转中心距离电路板的距离为60mm，其仿真结果见图11。

因此，能根据上述仿真软件的结果得到相应传感器之间的距离，该排挡只需要3个霍尔传感器即可，从图11可知，只要保证相邻两个传感器之间的距离大于8mm即能满足传感器触发的要求，本文中设计了以PIC16F677为核心控制单元的全自动汽车电子排挡，硬件实物图如图12所示。实验表明，当传感器之间的距离为8mm时，不会产生两个传感器同时被触发的误触发现象，完全满足设计需求。

4 结论

在库仑模型的基础上，采用数值法计算永磁体在空间中产生的磁感应强度，设计了相关辅助仿真软件，该软件能快速直观地画出不同位姿的永磁体在电路板上的触发区域，并根据仿真软件的结果分别设计了两款汽车电子排挡，根据两款汽车电子排挡系统电路的实际设计，验证了所建立的圆柱形磁体模型的正确性。该仿真软件能有效地分析磁体的触发区域，从而代替传统的实物测量方法，大大减轻电子排挡设计人员的工作量，是设计人员理想的实用辅助开发工具。

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