霍尔速度传感器原理及算法介绍

何喜富

随着汽车电子的发展，现代汽车装配有各种传感器J如角度传感器，位置传感器，转速传感器等。这些传感器将各种输入参量转化为电信号用于调节和控制发动机管理系统、安全系统和舒适性系统等。霍尔效应是比较理想的磁性感应技术，通过检测磁场及其变化，转化成电信号用于检测速度，位置，角度等。霍尔传感器具有许多优点，如结构简单，鲁棒性好，可靠性高，寿命长，功耗低，温度范围广，抗干扰能力强，耐灰尘油污腐蚀等。

工作原理

信号偏移处理

在现代汽车领域，往往要求传感器模块工作在40℃至150℃范围，有些甚至要求工作在175℃。一方面磁性材料会受到温度影响，另外霍尔探头本身也有温度效应。因此必须对霍尔传感器进行温度补偿。

除温度影响外，霍尔元件还容易受到机械应力，焊接或者封装影响，且由于半导体工艺的波动造成产品之间存在差异，如霍尔材料或者厚度不均匀等，造成信号的偏差和漂移。通过chopper主动误差补偿方法可以消除信号路径产生的偏移、机械应力对霍尔探头影响以及焊接注塑等工艺对封装的影响所带来的偏差和漂移。

霍尔探头输出信号主要由三部分组成：工艺造成的差异，机械应力误差以及霍尔电压。这三部分只有霍尔电压才是有用的信号，其余部分是需要消除掉的偏差。

如图1所示，在阶段1电流自上而下流入霍尔探头，从右到左采样霍尔电压。在阶段2电流从左往右流入霍尔探头，从上往下采样霍尔电压。同样的，在阶段3和阶段4输入电流和输出电压继续旋转90°。由图1可以看出，通过旋转电流方法，只是改变了偏差的方向，而不会改变霍尔电压的方向。通过代数方法很容易消除掉信号的偏差及漂移。

信号处理

霍尔速度传感器主要由电源电压调整电路，霍尔探头，放大器，滤波器，比较器，数字信号处理电路，AD转换器，DA转换器等组成。霍尔探头检测到的磁场信号经过放大器放大并经过低通滤波器后由AD转换器转换成数字信号。AD转换器，数字信号处理电路以及DA转换器组成闭环回路，信号数字化后进入数字信号处理电路中，处理电路会检测信号上升或者下降瞬态情况并相应触发输出信号，同时还会检测信号最大最小值并计算其平均值，该平均值通过DA转换后反馈到输入信号中用于补偿磁场信号偏移。比较器用于比较磁滞信号，信号会根据不同磁滞算法进行切换。

英飞凌霍尔速度传感器介绍

英飞凌以TLE49XX命名霍尔系列传感器，其中字母E代表汽车级，I代表工业级，V代表消费级。数字49代表霍尔感应原理，50代表iGMR感应原理，51代表AMR感应原理。最后两位数字代表其应用。英飞凌霍尔速度传感器可以应用在轮速，变速箱速度，凸轮轴和曲轴速度及位置检测等。

在信号输出方面，主要有两线制电流式和三线制电压式两种。两线制电流式输出电流信号在7mA和14nA塞两个电流上变换。图2是典型的两线制电流式传感器应用电路。

三线制电压式接口通常是“开路漏极接口（Open-Drain-Interface）”或“开路集电极接口（Open—Collector-Interface）”，对于这类接口传感器，外围电路需要有上拉电阻。图3是典型的三线制电压式应用电路。当输出MOSFET截止时，输出信号vsignal被上拉电阻拉升到输入电压VS。当输出MOSFET导通时，MOSFET内阻相对于上拉电阻小很多，因此输出信号Vsignal被拉低到地。

单霍尔传感器

在凸轮轴应用中，凸轮轴传感器用于检测凸轮轴转速及位置，它和曲轴传感器配合，用于燃油喷射控制，提高燃油效率。发动机启动时要求传感器能够迅速检测目标轮是齿还是槽。也就是说传感器还处于静止状态时就必须能够检测出目标轮状态，即上电检测（TruePower On）功能，这一特性是差分式霍尔传感器所不具备的。英飞凌TLE498x系列（含TLE4983C，TLE4984C以及在研发中的TLE4986C）是专门针对凸轮轴应用的单霍尔速度传感器，具有TPO功能，动态自我标定算法，可下线编程，灵敏度及稳定性高等特点。

差分霍尔传感器

英飞凌提供差分霍尔传感器用于速度检测，如果需要方向检测功能则需要有第三个霍尔探头用于检测目标轮转动方向。图4为带有方向检测功能的差分霍尔传感器。假设从左到右霍尔探头分别为B1，B3，B2。则△Bspeed=B2-B1，△Bdir=B3-（B2+B1）/2。取决于目标轮转动方向，中间霍尔探头信号会比速度信号超前或者延迟90。，通过比较方向和速度信号之间相位，传感器能够判断出目标轮转动方向，并输出相应PWM信号。

背磁

磁性传感器信号的产生离不开磁场，而传感器感应面和目标轮之间磁场产生方式主要有两种：一种是磁性轮如图5左所示。还有一种是针对非磁胜轮应用，如图5右所示。对于这种非磁性轮应用，设计时需要在传感器背面集成磁铁，即背磁方式（back bias）。对于背磁方式，除客户自主设计磁铁外，英飞凌还提供集成背磁版本（IntegratedBackBias）的磁速传感器。需要特别指出的是，对于需要有TPO功能的凸轮轴传感器以及基于iGMR感应原理的磁速传感器，其背磁方式需要有磁路抑制技术，英飞凌能够提供具有相关专利技术的背磁方案。

磁速传感器通过测量磁通量的变化来检测目标轮的运动以及参考位置，在英飞凌规格书中，差分式霍尔传感器可工作在磁场N极或者s极，其背磁场强范围在，500～500mT，传感器工作在更大的磁场强度下不会造成传感器的损坏，其背磁磁场强度会直接影响传感器气隙表现。两个霍尔探头静态磁场差分强度△Bstatic需要小于30mT，如图6所示，两个霍尔探头距离为2.Smm（TLE4941PlusC为2.0mm以便更好适应更小齿距的轮速传感器应用），需满足△Bstatic=|Bpl-Bp2|<30mT，如果△Bstatic大于30mT，可能造成输出信号占空比不良。为了减小静态差分磁场强度，对于背磁感应方式，传感器设计时可在背磁和传感器之间增加导磁片，这样可以使得磁场分布更加均匀，从而减小两个霍尔探头之间静态磁场强度差异。

磁滞概念

磁速传感器在汽车上有不同应用，如轮速，变速箱速度，凸轮轴和曲轴速度及位置检测等，其应用环境也不同。为了更好适应不同应用，获得更好性能，英飞凌磁性传感器提供灵活的磁滞算法，主要有四种磁滞算法：HF（HiddenFixed），VF（Visible Fixed），HA（HiddenAdaptive），VA（VisibleAdaptive）。

所谓Hidden磁滞概念，即信号在过零点处切换。输入信号幅度很容易受到空气间隙变化的影响，而由于Hidden磁滞切换点在过零点处，从而可以避免受到信号幅度影响，所以Hidden磁滞算法可以获得最佳的相位精度。所谓Visible磁滞概念，即信号在额定磁滞带上切换。对于齿距较长的目标轮，选用Visible磁滞算法，可以获得比较稳定的输出信号。

图7是典型的60-2齿的凸轮轴应用，在目标轮长槽处，由于差分式霍尔传感器两个霍尔探头检测到的磁场强度一样，因此会有很长一段差分信号△B为O，在信号处理过程中，如果选用Hidden磁滞算法，容易导致输出信号相位抖动。而选用Visible磁滞算法，输出信号比较稳定。

所谓Adaptive磁滞概念，即其磁滞水平受输入信号幅度影响。选用Adaptive磁滞算法，能够起到振动抑制作用。所谓Fixed磁滞概念，即磁滞水平为一定值。

为了更好地理解英飞凌磁胜传感器磁滞算法的概念，下面以TLE492X系列产品为例做进一步解释。

如图8所示为Hidden Fixed磁滞算法，以TLE4926C-HT E6547为例，其磁滞算法为Hidden Fixed。当输入信号幅值超过额定磁滞带时（图例磁滞带阈值A BHYS为2mT），信号在过零点处切换。

如图9所示为Visible Fixed磁滞概念，以TLE4924—1 E6S47为例，其磁滞算法为Visible Fixed。从图中可以看出其信号切换点在磁滞带上而不是过零点处，又由于是Fixed磁滞，因此其磁滞带为定值（图例磁滞带阈值△BHYS为2.8mT）。

如图10为Hidden Adaptive磁滞概念，以TLE4927C E6547为例，磁滞算法为Hidden Adaptive，其信号切换在过零点处，磁滞带水平动态对应PGA等级。当输入信号幅值超过该PGA等级对应磁滞带时，信号会在过零点处切换。

如图11为Visible Adaptive磁滞概念，以TLE4924C-2 E6547为例，磁滞算法为Visible Adaptive，其信号切换在磁滞带上而不是过零点处，而其磁滞带水平动态又对应PGA等级。当输入信号幅值超过该PGA等级对应磁滞带时，输出信号会在该磁滞带上切换。

意法半导体牵手长城汽车践行汽车电子拓展新理念

意法半导体（ST）近日与中国长城汽车（GWM）股份有限公司宣布建立战略合作伙伴关系，并在GW-M技术中心设立联合实验室。该联合实验室将专注动力总成、底盘、安全、车身、车载娱乐、新能源技术以及其它汽车应用前沿解决方案的研发。

这次合作是意法半导体全新汽车电子市场拓展的新理念在中国市场的代表性执行体现，意法半导体执行副总裁兼大中华与南亚地区总裁纪衡华表示，为了应对汽车电子市场的变化，ST逐渐开始与汽车制造商直接合作，以更好地用最新半导体技术服务汽车客户，继先后与奥迪和现代合作之后，作为中国汽车电子市场最大的供应商，ST这次选择了长城汽车作为合作伙伴。意法半导体将为该项目投入最新的汽车电子技术与解决方案，包括GDI（汽油缸内直喷）、BCM（车身控制模块）、PowerPc系列32位微控制器等汽车级芯片、高度集成的EMS（引擎管理系统）芯片解决方案、安全系统芯片解决方案（主动和被动）、完整的信息娱乐平台化方案（汽车音响、视频，智能通讯和导航）等汽车电子相关应用，并提供相应参考设计、开发工具、技术支持与培训等。

长城汽车股份有限公司高级副总裁兼技术中心主任黄勇表示：“国内自主品牌汽车正面临前所未有的竞争压力，自主车企必须完成战略转型，并大力发展自主核心技术，以与合资品牌竞争。随着消费者对汽车安全性和舒适度日愈关注，汽车电子市场也在高速增长。长城汽车与意法半导体建立联合实验室，在提升长城汽车汽车电子核心技术方面会起到至关重要的作用，为双方进一步的深入合作奠定了坚实基础。”