霍尔转速传感器在双离合自动变速器中的应用

董蕾

（江淮汽车股份有限公司技术中心）

随着用户对汽车驾驶性和燃油经济性要求的不断提高，双离合器自动变速器（DCT）得到越来越广泛的应用，DCT 采用两组离合器交替工作，不存在动力中断，传动效率高[1]，兼顾了燃油经济性和驾乘舒适性。而转速信号作为DCT 控制的最基础信号，对换挡的品质和安全性起着至关重要的作用，转速传感器输入转速信号给变速器控制单元（TCU）进行信号处理以优化传动比，从而获得较好的发动机性能和效率[2]。转速传感器主要有磁感应式、霍尔效应式、变磁阻（VR）式及磁敏式（MRE）传感器[3]等，考虑到信号的稳定性、高精度以及正反转探测等因素，DCT 一般采用霍尔传感器。

1 霍尔转速传感器原理

1.1 霍尔效应

当电流流过一个处于磁场中的导体时，若磁场方向垂直于电流流向，则导体在垂直于磁场和电流方向上偏转，即产生霍尔效应[4]。若有一磁场垂直于传感器，在输入电压的作用下，电流在传感器的两端流过，将产生一个霍尔电压。霍尔电压由磁场的强度和流过的电流决定。

1.2 传感器测量转速原理

典型的霍尔传感器输出波形，如图1所示。当轮齿接近霍尔传感器和磁铁时，磁通量集中通过金属信号轮齿，传感器的输出为正弦波，正弦波的频率为金属轮的转数乘以轮齿数，系统的分辨率由轮齿数决定。θ 为360°除以齿数，表征了频率与齿数的对应关系。

当轮齿经过传感器时，传感器输出一个电脉冲信号，由TCU 的计数器记录脉冲数，由脉冲信号的频率便可得到转速值。

一般采用M/T 法进行测速，该方法适用较宽的转速范围，具有较高的测速精度。测速原理为由计数器记录传感器发出的脉冲信号；定时器每隔一段时间向CPU 发出中断请求；CPU 响应中断后，读出计数值（M1）；同时计数器记录来自 CPU 的高频脉冲（f0）；传感器每输出一个脉冲，中断电路向CPU 发出一次中断请求；CPU 响应中断，从计数器中读出计数值（M2）。

M/T 法测速转速值的计算公式为：

式中：n——齿轮的转速，r/min；

f0——计数器记录来自CPU 的高频脉冲，Hz；

M1——计数器记录传感器脉冲的个数；

M2——计数器记录时钟脉冲的个数；

Z——齿轮的齿数；

Tt——计数时间，s。

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2 霍尔转速传感器在DCT中的应用

2.1 霍尔转速传感器与TCU的匹配

2.1.1 霍尔转速传感器的物理特性要求

转速传感器需要准确地检测转速，并能够长时间工作在高温的变速器油中，部分转速传感器还需要具备方向检测功能。变速器的转速输入来自发动机，发动机转速的范围为50～8 000 r/min，考虑到变速器各挡速比，则转速传感器的测量范围为0～10 000 r/min。所以要求传感器能够在低频及高频的范围内准确测量。

2.1.2 霍尔传感器的硬件接口电路匹配

霍尔转速传感器的芯片可以选择英飞凌的TLE4921 或Allegro 的ATS651。由芯片输出电流型的频率量，这样TCU 可以提供传感器对电源短路、对地短路和开路的诊断。

霍尔转速传感器需要浸入在变速器油中，且在-40～140 ℃的温度范围内能正常工作，其需要具备的电气性能指标，如表1所示。

表1 霍尔转速传感器需要具备的电气性能指标

传感器芯片包含调节器，可以在较宽的供电电压范围工作，但对于EMI/RFI（电磁干扰/射频干扰）保护还需进行设计。传感器与TCU 的接口电路典型配置，如图2所示[5]。其中下拉电阻（RL）一般选取 100 Ω，接口电容（CL）根据实际的应用情况进行选择。

2.1.3 霍尔传感器的信号产生及内部处理

在芯片工作、信号转换与传递过程中，芯片对目标的检测有频率范围要求，输出脉冲会在设定的磁通量范围内起作用，也会在相应范围内被释放。同时，芯片所受的磁感应强度也影响输出电压的特征，进而影响到输出脉冲的特征。差分处理信号与磁感应强度的对应关系，如图3所示。

当目标齿轮经过芯片的感应面时，每个轮齿产生一个脉冲输出，每个脉冲输出包含目标齿轮的转速大小和转动方向。其中，转速大小通过脉冲频率表达；转动方向通过脉冲宽度表达，即每个脉冲存在的时间。目标信号齿轮允许的最高转速受到输出脉宽及TCU所能处理的最短低电平宽度限制。

在正向与反向检测中，芯片输出脉冲与齿轮的对应位置关系，如图4所示，正向脉冲位于齿轮槽，反向脉冲位于轮齿处，正方向频率范围需求高于反方向，正向脉冲宽度是反向脉冲宽度的1/2。

2.2 霍尔转速传感器在DCT上的布置

某款DCT 采用湿式结构，变速器主要由两组多片式湿式离合器、双输入、双输出轴式齿轮变速器及电液控制机构组成，如图5所示。发动机的输入转速和扭矩通过挂上相应挡位和对应离合器结合后被传递到输出轴并最终将动力传递到车轮。变速器的控制需要发动机输入到变速器的转速以获取输入转速，需要输入轴1和2 的转速并配合输入转速以获取离合器的滑摩率，需要输出轴转速并配合输入轴1 和2 的转速以检测是否挂上正确挡位及计算车速。输出轴转速传感器带方向检测以判断倒挡输出及反托等其他工况。

变速器输入转速传感器一般安装在离合器壳体上，检测湿式双离合器的齿毂（或与之啮合的油泵的驱动齿）的转速。

输入轴1 转速传感器和输入轴2 转速传感器根据布置情况可集成到一个传感器模块上，安装在壳体或机械电子模块上，检测输入轴1 和2 上的固定斜齿轮（或者安装在轴上的磁性靶轮）的转速。

输出轴转速传感器可单独布置或者集成到传感器模块上，安装在壳体或机械电子模块上，检测输出轴上的固定斜齿轮（或者安装在轴上的磁性靶轮）的转速。

转速传感器的安装都要求与被测对象（斜齿轮的齿顶或磁性靶轮）对准，传感器芯片的中心位置对应被测对象可检测范围中心位置。被测对象的振动会干涉传感器的方向检测功能，使得芯片有可能输出无方向信号脉冲，故被测对象的轴向和径向跳动需在合理的范围内。

转速传感器有电源线和信号线2 根连接线。传感器与被测对象的空气间隙为（1±0.5）mm。

2.3 霍尔转速传感器的性能验证

2.3.1 传感器的转速信号识别及输出测试

利用变速器台架来验证传感器的功能，变速器台架示意图，如图6所示。利用示波器直接测量传感器输出的信号脉冲，并对各个转速下的信号进行分析。

经过测试，在不同的转速下示波器记录的矩形波脉冲信号具有相同的幅值及不同的频率，霍尔转速传感器在要求的0～10 000 r/min 转速范围内均能正确识别到转速信号。

2.3.2 TCU 对输出信号的识别测试

利用标定设备CANape 记录TCU 采集的转速传感器的输出信号，如图7所示。

经过测试，TCU 在要求的0～10 000 r/min 转速范围内均能正确识别到霍尔转速传感器的转速信号，考虑到输入转速的不稳定因素的影响，转速信号在±2 r/min的偏差是可以接受的。

2.3.3 整车环境下的性能验证测试

在整车试验中采集传感器转速信号并与来自CAN的发动机转速信号同步记录，如图8所示。

从图8 可以看出，发动机转速信号和离合器输入转速信号重合，转速传感器的精度及响应时间等可以达到系统的需求。

3 结论

DCT 选用霍尔转速传感器采集速度信号，测试转速范围及精度能满足DCT 的要求，且具有功耗小、频率高及寿命长等特点。变速器内部的传感器发出满足要求的脉冲信号，经过TCU 系统实现转速测控，信号处理芯片及接口电路能满足TCU 的匹配要求，且具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便及节省空间等优点。经过实际功能和耐久验证，整车环境下传感器的信号正常，性能可靠。