一种新型汽车节气门角度传感器设计*

陈科球，谢伟广

（暨南大学物理系思源实验室，广东广州 510632）

0 引言

节气门是控制空气进入发动机的一道可控阀门，气体进入进气管后会和汽油混合成可燃混合气，从而燃烧做功。它上接空气滤清器，下接发动机缸体，被称为汽车发动机的咽喉［1］。现行的汽车节气门角度传感器大部分采用三线碳膜接触式结构，通过触点在环形碳膜上滑动来改变电阻值，时间久了将产生滑片电阻值不准确、可动触点（触臂）与滑片电阻接触不良等安全隐患［2］。

本文提出了采用MLX90316设计节气门角度传感器，从原有的电位计式发展到应用霍尔线性元件测量磁体位置，而非接触式测量比电位计式可靠性高，精确度高，耐久性好，比光电式测量成本低，也更能适应车体恶劣的工作环境，并得到大量的推广与应用。

1 MLX90316芯片介绍

Melexis公司的 MLX90316芯片是一种线性霍尔元件［3］，可输出与芯片表面平行磁场的角度位置信息，该元件采用三轴霍尔技术，在芯片上方放置一个圆盘形磁集中器（IMC），将平行作用于芯片表面的磁场集中起来，并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量，通过2对位于IMC下方的相互垂直的平面霍尔元件检测平行于芯片表面的磁通密度［4］。2对霍尔元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），这样2对霍尔元件输出的正比于磁场强度的信号（Vx和Vy）可以将实际角度编码为2个相位差为90°的正弦信号，Vx和Vy经多路复用器选通放大、A/D转换为数字信号。芯片内置的16位数字信号处理（DSP）对这2路信号进行采样和处理，最后的输出信号可以在0～5 V模拟方式、脉宽调变（PWM）模式以及串口通信方式（SPI）中选择，输出曲线是完全可以编程的（例如:偏移值、增益、钳位电平等参数都可编程）。

2 MLX90316汽车节气门传感器检测系统硬件设计

本文选用MLX90316芯片设计了汽车节气门角度传感器，替代现在的碳膜结构，检测原理如图1所示。在芯片上方放置的圆盘形永磁铁与节气门机械部件连接，当节气门开合动作时，产生变化的磁场，被MLX90316表面的IMC收集，并在其边缘产生正比于磁场的垂直分量，由霍尔元件检测。为实验方便，采用步进电机驱动圆盘形永磁铁，替代节气门的开合动作，节气门角度传感器检测系统与控制电路的框图如图2，系统检测与控制图如图3。为了验证其可行性，使用精密角度传感器测试仪［5］，利用计算机并口来控制步进电机（步距为0.36°）带动传感器的转轴转动，即永磁铁在水平方向上的方位角每步改变0.36°，加在霍尔芯片上的外磁场发生变化，通过霍尔效应，使传感器的输出电压发生改变。传感器的输出信号送入A/D转换器ADS774JP［6］，ADS774JP在并口的控制下对传感器的输出电压进行转换，转换结果通过并口读入PC。

图1 霍尔传感器检测原理Fig 1 Detecting principle diagram of Hall sensor

图2 系统结构框图Fig 2 Block diagram of system structure

图3 系统检测与控制图Fig 3 Diagram of system testing and control

3 实验结果与分析

节气门位置传感器是一种三线传感器。其中一线从电脑的传感器电源引来的5 V电压对传感器电阻材料供电，另一线连接电阻材料的另一端为传感器提供接地，第三根线连至传感器的可动触点，提供信号输出至电脑。电阻材料上每点的电压，由可动触点探测，并与节气门角度呈正比，其输出特性如图4。为了验证传感器，分别对独立线性度、重复性、一致性等做了测量。

图4 节气门传感器输出特性Fig 4 Output characteristics of throttle sensor

3.1 传感器的独立线性度

图5 MLX90316芯片输出电压与转角的关系Fig 5 Relationship between output voltage of MLX90316 chip and rotating angle

3.2 重复性测试

重复性是传感器的另一个重要静态特性，通过对同一角度传感器的重复测量，来检测其重复性。同一传感器重复测试12次，每次测量步进电机旋转2周，即720°，转速为150 r/s。其结果如图6，根据重复性相对标准偏差（RSD）=标准偏差/平均值，得出RSD=2%，满足实际应用要求。

3.3 一致性测试

一致性也称为互换性，通过对同批次角度传感器的测量，可以看出传感器的一致性。转角范围为50°，分别测量6只同批次的传感器，测量时步进电机旋转2周，即720°，转速为150 r/s。其测量结果如图7，参照重复性的测试公式，得出此批传感器的一致性约2%，满足实际应用。

图6 多次测量的独立线性度Fig 6 Independent linearity of multiple metering

图7 不同传感器的独立线性度测试Fig 7 Test of independent linearity of different sensors

4 结论

目前，汽车节气门角度传感器基本都是基于三线碳膜滑动电阻器式设计，存在磨损大，接触不良等缺点，本文设计了基于MLX90316非接触式节气门角度传感器，并研制了相应的测试系统，从检测结果来看，传感器的独立线性度小于1.1%，重复性保持在2%，一致性约为2%，满足汽车实际应用，可以替代碳膜滑动变阻器结构，具有很大的应用前景。

［1］李 浩，徐衍亮.电动汽车方向盘绝对角位置传感器的研究［J］.传感器与微系统，2011，30（3）:32-34.

［2］季汉川，杨文焕.一种新型霍尔角度传感器的设计与分析［J］.仪表技术与传感器，2012（8）:9-11.

［3］余贵堂.基于MLX90316的BLDCM控制系统的研究［D］.武汉:华中科技大学，2008:15-16.

［4］Hiligsmann V，Riendeau P.Monolithic 360 degrees rotary position sensor IC automotive applications［C］//Proceedings of IEEE Sensors，2004:1137-1142.

［5］徐文涛，黄钊洪.基于计算机并口的磁敏无接触式角度传感器测试系统［J］.传感器世界，2008（4）:49-52.

［6］周 征.12位A/D转换器ADS774JP及其在高精度检测中的应用［J］.国外电子元器件，2003（4）:35-37.

［7］何培杰，陈翠英，王多辉.传感器独立线性度的研究［J］.传感器技术，1999，18（6）:26-27.

［8］陈科球，刘彭义.基于MLX90316的汽车油门脚踏板的设计与研究［J］.电子技术应用，2013，39（10）:53-55.