电子油门踏板的磁场仿真和实验研究

徐 源，郭 斌，袁月峰

(中国计量大学 计量测试工程学院，杭州 310038)



电子油门踏板的磁场仿真和实验研究

徐 源，郭 斌，袁月峰

(中国计量大学 计量测试工程学院，杭州 310038)

对于汽车电子油门踏板利用可编程霍尔传感器将踏板的位置变化转换为线性模拟电压输出，具有产品一致性好、寿命长等优点正越来越获得广泛应用；针对踏板磁钢片位置布局不良容易导致的传感器校准异常和输出非线性等问题，进行了踏板旋转件永磁磁路分析，并用ANSYS软件进行了磁场有限元建模仿真，分析了踏板旋转角度和传感器位置安装之间的影响因素，并在电子油门性能检测平台上进行了实验验证；实验结果表明，双路输出式电子油门踏板的输出线性度达到1.45%,同步度指标为0.12%,符合产品技术标准。

电子油门踏板；磁场；仿真；霍尔传感器

0 引言

电子油门踏板分为接触式和非接触式，接触式电子油门踏板存在易磨损和寿命短的缺点而逐渐被淘汰，现在普遍采用基于霍尔原理的非接触式电子油门踏板。Micronas公司生产的霍尔芯片不仅能实现在线校准的功能，还具有一致性好、寿命长、精度高等优点，得到了广泛的使用[1]。

在对霍尔式双路电子油门踏板的校准和性能检测中发现，电子油门踏板会出现校准异常或校准后出现输出信号非线性的问题。为了进一步分析其原因，对电子油门踏板的工作原理深入的研究。

在研究中发现，电子油门踏板工作方式是，踏板臂带动永磁铁围绕传感器做旋转运动，使得传感器的磁感应强度随着踏板臂的旋转角度的大小而改变，最后霍尔芯片利用霍尔效应输出与其受到的磁感应强度成正比的电压信号[2]。因此，对霍尔式电子油门踏板工作原理的研究重点在于传感器受到的磁感应强度与永磁铁旋转角度之间的转换关系。

目前，对于霍尔传感器工作的磁场研究普遍采用经验公式和实验的方式，这种方法使得其研究更繁琐，得到的精度会比较低。对于不同尺寸和性质的磁铁，求出其解析式会更加困难。ANSYS是基于数值计算的一种大型通用有限元软件，可以方便地对磁铁进行建模和分析，并可以形象地画出磁力线分布以及磁场强度的云图，较为准确地给出各点数值[3-5]。本文是基于ANSYS软件建立永磁体模型，用来模拟霍尔传感器的工作环境，通过在静态的磁场中采样霍尔传感器的不同旋转位置的磁感应强度，将动态的磁场分析转换为静态的磁场分析。最后使用WT10A数字特斯拉计和电子油门踏板性能测试台来验证仿真分析的正确性。

1 电子油门踏板的工作原理

电子油门踏板安装霍尔芯片的个数可分为双路式和单路式，与单路式相比，双路式油门踏板的传感器采用冗余设计思想，其设计原理是采用两个相同传感器以对称互补的方式安装在电子油门踏板中，能有效提高产品的可靠性。

对于霍尔式双路电子油门踏板，其磁场结构是踏板臂和霍尔传感器的重要连接枢纽，它可以将踏板臂的旋转角度巧妙地转化为霍尔传感器的磁感应强度的变化量。其磁场单元主要由两块永磁铁和屏蔽环构成，永磁体能提供均匀的磁场环境，屏蔽环使得外界磁场的磁感应强度绝大部分从外壳壁通过，从而达到屏蔽的作用[6]。

电子油门踏板的工作原理在于，永磁铁在踏板臂的带动下围绕传感器旋转，作用于霍尔传感器的磁场分量随旋转的角度而改变，传感器利用霍尔效应将受到的磁感应强度转化为电压信号输出，最终将其传递给发动机控制器。发动机控制器根据电压信号大小，计算出驾驶员对发动机的功率需求并将其转化为所需要的发动机扭矩[7]。

对于霍尔式电子油门踏板的输出电压值是靠传感器敏感区域磁感应强度的大小体现的，在相同的磁场下，受到的N极磁感应强度越大，则电压的输出值也越大，反之受到S极磁感应强度越大，则输出电压越小。所以在电子油门踏板的设计中，磁感应强度随旋转角度的变化量线性度越高，则电子油门踏板的线性度越好。

该磁场单元的两片方形永磁铁是采用枢轴对称的方式固定在屏蔽环内，永磁铁的磁场方向一致，传感器则是引脚朝外，安装在两片磁铁之间。在工程应用中，由于霍尔传感器模块面积太大，不便做旋转运动，采用磁场单元围绕传感器旋转的方式工作。运动是相对的，为了便于分析，假定永磁铁的位置固定，让传感器绕着枢轴在磁场单元中旋转，如图1所示。

图1 霍尔传感器与均匀磁场的相对旋转

由于霍尔传感器的敏感区域的移动轨迹与磁场的磁力线垂直，因此可以通过二维磁场来仿真霍尔传感器所受磁场的影响。

为了验证仿真结果的正确性，除了要采用WT10A数字特斯拉计对传感器实际受到的磁感应强度检定以外，还需要评定传感器输出信号的同步度和线性度等指标。同步度来表示电子油门踏板的两路传感器输出信号的相关性，其计算公式为:

(1)

式中：T为同步度；α为同步系数,取0.5；PPS1(θ)为传感器a在旋转角度为θ的实测电压值，V；PPS2(θ)为传感器b在旋转角度为θ的实测电压值,V；Vdd1为霍尔传感器a的供电电压，V；Vdd2为霍尔传感器b的供电电压，V。同步度可反映出两个霍尔芯片的安装位置是否对称，同步度越小说明电子油门踏板的生产工艺越高。传感器输出信号的线性度为：

(2)

其中i=1表示选择传感器a，i=2表示选择传感器b；PPSI(θ)为传感器输出信号设计值，V；PPSi(θ)为传感器输出信号实测值，V；Vddi为传感器的供电电压，V。

电子油门踏板理想的输出电压曲线与旋转角度成正比，因此其输出信号的线性度数值越低，则电子油门踏板的线性度越好，传感器在磁场中的工作方式的可靠性越好。

2 有限元建模

利用有限元分析软件，对于传感器的工作环境进行了模拟，并对牌号为REFe165/170永磁体进行建模，并采用PLANE53(四边形4节点)的磁单元和PLANE53(4节点，6节点)的铁环单元对磁场空间划分。

根据实物，设置永磁铁和屏蔽环的仿真参数。永磁铁的牌号为REFe240/110，其相对磁导率μr=Br/μ0Hc，其中Br为磁铁的剩磁(Br=1.14 T)，μ0为真空磁导率(μ0=4π×10-7T·m/A)，Hc为矫顽力(Hc=850 kA/m)，求得永磁铁的相对磁导率为μr=1.06 T·m/A。屏蔽环选用的是牌号为DT3的软磁，其磁导率为7.5 mT·m/A，其矫顽力为10 A/m。

最后对给定磁性参数和大小的磁系单元划分网格，如图2所示。

图2 磁系单元所在空间的网格划分

在永磁场中，由于其泊松方程和静电场的泊松方程完全相同，则可以按照静电场中的泊松方程来进行解答[8]，其求解方程如下：

(3)

(4)

在此仿真分析中，要精确得到磁场位置的解析解，就必须从给定的边界条件和初始条件求其数值解。

(5)

式中，Γ为诺依曼边界；n为边界的外法线矢量；f(Γ)和h(Γ)为一般函数[9]。

图3 永磁体的仿真结果

3 仿真的结果及讨论

采用INFIN9单元来划分边界，分别对PLANE53的磁单元和屏蔽铁圈单元划分区域并施加载荷，利用磁矢量位法求解，得到电子油门踏板磁场的磁力线和磁感应强度,如图4所示。

假定永磁铁和屏蔽环的位置固定，磁感应强度N极为正，S极为负，两个传感器绕着磁场轴心顺时针旋转。由图4看出，传感器所在位置的磁感应强度的最大变化范围0.428 mT，其影响几乎忽略不计，可以将其看作均匀磁场。

图4 旋转角度与磁感应强度的关系

实际作用在传感器上的磁感应强度是传感器所在位置磁感应强度的分量，传感器a和传感器b平面的磁感应强度分量分别为B1=Bcosθ和B2=-Bcosθ(0°≪θ<360°)，其中B为传感器所在位置的磁感应强度，该分量与旋转角度的变化关系如图5所示。

图5 旋转角度与磁感应强度分量的关系

由上图中曲线可以看出，随着旋转角度的增大，两个传感器的变化趋势相反，传感器a的磁感应强度先增大后减小，传感器b的磁感应强度先减小后增大。为了满足传感器旋转角度与输出信号的线性关系，则两个传感器的线性区域必须在75～105°和255～285°范围内，此时两个传感器的初始安装角度分别为75°和255°。

4 实验验证

采用WT10A数字特斯拉计来测量传感器所在位置的磁感应强度，该仪器采用的是霍尔响应原理工作的，其分辨力为0.1 mT，适用于静态磁场的磁感应强度检测。其对于传感器位置测量得到的磁感应强度为45.1 mT，仿真磁感应为强度45.18 mT，仿真误差为0.08 mT，小于特斯拉计的分辨率。在仪表的测量精度范围内，磁场的仿真结果与测量结果基本一致。

在安装好带有传感器的电路板和磁铁后，需要对传感器校准。由图4的曲线看出，传感器的磁感应强度程周期变化，取传感器的相对旋转角度为180°、220°、260°的踏板进行校准。通过霍尔编程器校准软件，写入电子油门踏板的两个传感器的电压变化参数0.55～2.1 V和1.1～4.2 V，读取其初始AD值和最大角度的AD值，将计算得到的原点值和灵敏度写入传感器。

霍尔传感器工作的磁感应强度有4种，分别是-30～30 mT、-60～60 mT、-90～90 mT和-150～150 mT(设磁感应强度N极为正，S极为负)，传感器实际受到的磁感应强度在传感器规定的-60～60 mT的变化范围内。根据测量的磁感应强度大小，写入工作参数为±60 mT的磁场变化范围，以满足传感器实际工作的磁场变化范围。校准时发现在180°的位置处，传感器的原点值和灵敏度均超出范围。经过测量发现，在此处位置传感器受到的磁感应强度超过200 mT，超出了传感器的工作范围。

然后再分别对校准过的、位置为220°和260°的电子油门踏板进行性能测试，本文采用电子油门踏板的旋转角度为0°～18°，在忽略摩擦力、传感器误差和磁场误差的情况下，经过校准后踏板的电压-角度曲线如图6所示，电子油门踏下的角度是通过双路霍尔传感器的输出电压体现的，理论上该输出电压应该和旋转角度成线性关系[10]。

在图6中，输出特性曲线中A1和A2是260°安装位置的传感器输出曲线，输出特性曲线中B1和B2是220°安装位置的传感器输出曲线。两种位置的电子油门踏板经过性能测量，其部分测试数据如表1所示。对于前者，其线性度和同步度数值超标，不满足要求。而对于后者的测试曲线，各项指标符合《汽车电子油门踏板总成技术条件》的技术指标。

图6 霍尔传感器实验输出曲线的对比图

旋转角度曲线传感器a正成/(%)传感器b正成/(%)传感器a回成/(%)传感器b回成/(%)260°线性度1.451.150.810.71同步度0.10.12220°线性度6.446.66.326.82同步度8.158.32

5 结论

在特斯拉计测量的测量误差范围内，其测量磁感应强度的变化范围与传感器的仿真结果一致。并对不同磁钢位置的电子油门踏板进行校准和检测，通过对比发现，只有在线性角度区间内，其校准不会出现异常状态，电子油门踏板检测的结果亦符合相关标准。由于传感器输出的电信号正比于其磁感应强度，所以传感器在工作时受到的磁感应强度与旋转角度是线性的关系。通过上述实验的分析得到，电子油门踏板传感器受到的磁感应强度的变化和仿真的数据基本一致，仿真模型基本正确，传感器在磁场中的工作方式满足其输出电压和旋转角度的线性关系。

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Magnetic Field Simulation and Experimental Research of the Electronic Accelerator Pedal

Xu Yuan，Guo Bin，Yuan Yuefeng

(China Jiliang University, College of Metrology & Measurement Engineering, Hangzhou 310018，China)

The used of the programmable sensor about automotive electronic accelerator pedal, changing the position of the pedal which is converted to linear analog voltage output, having the advantages of good product consistency and long life span, is more and more widely used. The wrong position of pedal’s magnets position is easy to cause the abnormal sensor calibration and the output signal’s nonlinear problem, analyzing the pedal rotating permanent of magnet magnetic. And magnetic field finite element analysis was carried out by using ANSYS software modeling and simulation, analyzing the influencing factors between the pedal rotation angle and position sensor installed, which is verified in the electronic accelerator pedal’s testing system. The experimental results show that the dual type electronic accelerator pedal’s output linearity is 1.45%, synchronous index is 0.12%, which is conformed to the product technical standard.

electronic accelerator pedal; magnetic field; simulation; Hall sensor

2016-06-27；

2016-07-18。

浙江省公益性技术应用研究计划(2015C31081)。

徐 源(1990-)，男，重庆开县人，硕士研究生，主要从事汽车零部件检测，测试计量技术等方向的研究。

郭 斌(1977-),男，山东日照人，副教授，主要从事汽车电子技术、自动化检测装置、精密检测技术等方向的研究。

1671-4598(2016)09-0278-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.078

TP274

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