基于MLX90360的电子油门位置反馈设计

袁德胜

(山西省电子工业科学研究所，山西 太原 030006)

0 引言

汽车传感器技术是促进汽车高档化、电子化和自动化发展的关键技术之一[1]。如今，汽车设计者对传感器的使用数量也越来越多，比如，氧传感器、爆震传感器和位置传感器等。其中位置传感器更是应用广泛，比如曲轴位置传感器、节气门位置传感器、油门位置传感器等。因此，选取一款可靠的非接触式汽车级位置感应芯片是汽车设计中重要的一环。MLX90360 是专门用于反馈汽车位置信息的高性能智能芯片，能感应出旋转范围从0°～360°的绝对角度位置[2-4]。图1给出了MLX90360角位移测量的原理示意。

图1 MLX90360角位移测量原理示意图

该芯片测量范围可编程，具有模拟输出和PWM输出两种模式，并具备12位分辨率，10 MHz的主芯片时钟频率，可满足绝大多数汽车电子位置检测应用的准确度和速度需求。芯片采用SOIC-8封装，安装方便，目前在汽车电子中的踏板、高度和方向盘等位置检测系统中被广泛使用[5]。本文以电子油门位置检测设计为实例，对MLX90360的使用和标定方法进行详细的阐述。

1 油门位置检测系统搭建

1.1 油门踏板磁钢及传感器布置

本设计中在油门踏板旋转轴中心镶入了径向充磁磁钢(N38 钕铁硼)，磁钢可任意角度安装。传感器通过固定支架固定于轴套外侧，为获得最佳线性度，传感器和磁钢的间距通常可设定为2 mm左右，且传感器感应点与磁钢中心尽量同心。油门踏板磁钢及传感器布置示意图如图2所示。

图2 油门踏板磁钢及位置传感器布置示意图

磁钢选取参数可参考表1。

表1 磁钢参数选取参考表

1.2 位置传感器硬件电路

本文选取的油门踏板位置检测传感器为MLX90360(L型：-40 ℃ to +150 ℃)。通过编程设置，MLX90360可得到与供电电压成比例输出的模拟信号或数字脉宽调制信号。其硬件连接原理图如图3所示。

图3 位置检测的硬件典型电路原理图

其中，图3元器件配置参考表2。

表2 典型电路元件配置表

模拟输出和PWM输出编程方式几乎一致，本设计以模拟输出为实例进行设计。

2 位置传感器编程

2.1 PTC-04编程环境搭建

PTC-04 Programmer是迈来芯公司研发的一款烧录器，其主要功能就是为其旗下的9系列芯片进行编程。若对MLX90360编程，需在PC机上依次安装PTC-04软件主程序、90360芯片的模块子程序和烧录器与PC机建立连接的驱动程序。搭建完成的MLX90360编程环境示意图如图4所示。

图4 芯片编程关系图

2.2 PTC-04使用

编程操作时不需要任何专用的引脚，只需使用芯片的VCC、GND和OUT引脚即可。

打开程序后，在“UI modules”选项卡下双击“MLX90360ACB”进入子模块编程界面。点击界面最上方“New device”使编程器与MLX90360芯片建立连接，若无错误提示则表示连接成功。编程界面如图5所示。

图5 芯片编程界面

由于该编程系统涉及内容较多，本文仅对设计中用到的关键设置参数进行阐述。图5中步骤1的作用是选择位置传感器芯片的输出模式，该芯片供用户选择的输出模式共有7种，如表3所示。

表3 输出模式选择

步骤2的作用是选择标定传感器的点数，一般多点标定会提高输出精度，输出信号的线性程度会越好。步骤3的作用是选择输出信号的滤波方式。步骤4、5分别设置低位钳位电压和高位钳位电压。步骤6将上述设置写入芯片。步骤7，获得磁场强度增益，该功能可用于测试位置传感器布置是否合理，若距离磁钢较近，则Gain值较小，否则此值会较大，较小或较大都不利于位置测量的线性度，建议该值为10～20最佳，大于41表示传感器未检测到磁钢，将进入诊断模式。步骤8，可定义位置起始点的角度值，通常该值设置一个大于0的值，这样可以避免由机械磨损导致角度误差增加后位置检测在该点产生奇异点，随后执行步骤9将该点写入。步骤10，点击“Characterize”，程序将自动计算出输出信号相对于输入信号的斜率和偏置；完成上述操作后，便可以对位置传感器进行标定，对被测器件的不同位置设置相应的电压；步骤13生成标定的位置-电压曲线图，用于验证编程是否正确；若无误则可以进行步骤14，将上述标定数据写入芯片。

本设计中，输出模式采用模拟输出；标定方式采用3点式，其精度可满足油门踏板使用需求；滤波器选择“Filter 2”；钳位的高低电压分别选取90%和10%，即5 V的供电电压下，输出信号的电压范围是0.5 V～4.5 V；固定好传感器位置后，得到的磁场强度增益值为18；油门踏板位置起始点设为100°。本设计定义油门踏板高位时为零位，踩到底为最大位置。脚踏板无动作时处于零位，设置此时位置传感器输出为10%；随后将脚踏板踩到底，设置此时位置传感器输出为90%。观察曲线图无误后，将上述标定数据写入芯片。

标定后可通过软件底部的“measurement”对输出的信号进行测试，观测油门零位的输出电压值，然后将脚踏板踩到底观测最大油门位置的输出电压值，缓慢匀速抬起或踩下脚踏板观测测试窗口的输出电压值是否连续、线性变化，如与规定的一致则证明标定成功。

2.3 线性度测试

将角度测量仪固定在脚踏板上并置零，然后将脚踏板推至不同的位置同时对输出电压进行测量，并记录数据，得到角度与电压对应测量关系(见表4)。

表4 脚踏板角度与位置输出电压测量值

通过表4可知，基于MLX90360油门踏板位置反馈设计线性度较好，采用两点标定后位置反馈绝对误差为0.05 V。在位置线性度要求更高的应用中可对位置反馈进行多点标定，以便提高输出精度。

3 结论

基于MLX90360的电子油门设计完全可以满足电子油门设计使用要求，由于该测量方法采用非接触式测量方式，传感器使用过程中无机械磨损，为了防止油门机械零位由于磨损出现偏移，位置传感器在标定时将行程以外的位置都进行限制，超出出厂标定区间的位置默认钳位值，因此MLX90360传感器还具备机械零位偏移修正功能，不会像其他电位计式传感器偏移后出现奇异点，该方案鲁棒性较好，油门位置测量方法可靠，使用寿命长，标定简单等。

[1] 曾谊晖, 蒋彦. 汽车电子技术的应用与发展趋势[J]. 中国机电工业, 2002(13):37-39.

[2] Melexis. MLX90360 Datasheet[S].2013.

[3] 李明阳, 杨燕红, 彭忆强,等. 基于LabVIEW的非接触式传感器标定仪设计[J]. 西华大学学报(自然科学版), 2014, 33(6):42-47.

[4] 印友军. 基于霍尔原理的非接触式位置传感器的研究与应用[D].上海：上海交通大学, 2012.

[5] 朱启林. 汽车EPS转矩转角集成传感器的研发[D]. 合肥：合肥工业大学, 2013.