电流型霍尔转速传感器的应用设计及诊断

李应优 杨燕 江铭 王定海

摘 要：本文介绍了应用于汽车CVT变速器的电流型霍尔传感器的测量系统设计及其诊断方法。该方案以单片机MCP5744为控制核心，采集电流型霍尔转速传感器TLE-4955的脉冲信号，通过捕获识别实现转速计算以及ADC实现故障诊断。

关键词：霍尔传感器 电流 信号 系统

1 系统需求

这套测量系统应能实现被测对象的电流信号采集、计算、诊断及传感器电源强制复位。

具体功能需求如下：

2 系统架构设计

这套测量系统由电源、主控芯片、电源管理系统、霍尔传感器、被测信号齿组成，见图1。

其中，

Battery：电源，即汽车用电池，12V系统;

BMS：电源管理系统;

MCU：MPC5744，NXP;

Sensor：电流型Hall传感器TLE4955;

PreProcessor：信号预处理。

2.1 电源管理系统：

MCU与电源管理系统通过SPI通讯进行电源的管理监控，可实现3.3V、5V、9V的电源输出、关闭及复位。

2.2 霍尔传感器：

采用9V电源，当符合设计规范的信号齿在传感器一定间距，对槽、对齿时，传感器分别输出电流7mA、14mA。

2.3 信号预处理器：

MCU的ADC功能是对输入模拟电压进行识别，因此输出电流经过预处理器的100ohm分压电阻R1，对应产生0.7V、1.4V的信号电压;但是这个信号电压并不能直接被MCU的Capture功能识别，因此须加一个电压比较器。

2.4 主控芯片：

这里介绍的主控芯片是NXP的MPC5744，双核CPU，控制频率达200MHz。

3 Hall电流型芯片介绍

英飞凌的TLE4955，是一款差分霍尔芯片，可以探测齿轮和磁敏编码器的运动。若用于探测齿轮（例如发动机飞轮信号齿、液力变矩器涡轮信号齿），需将永磁固定在芯片背面以建立磁场，传感器输出特定的电流PWM。

在电路设计中，对应的传感器信号电压为

V=i*R

其中，

i是信号电流;

R是负载电阻。

当传感器正常运行时，输出（7±1）mA或（14±2）mA的电流，超出这个特定范围则判定为传感器不正常。考虑到硬件存在一定的误差，设计中可将传感器合理电流范围设定为5mA～17mA，若负载电阻为100ohm，那么传感器信号电压合理范围设定为0.5V～1.7V。

该芯片的参数如下：

4 控制逻辑

软件逻辑包括传感器信号采集、信号诊断、电源复位、方向识别以及转速计算，参见图3。

4.1 信号采集：

通过MCU的ADC功能从传感器信号脚采集电压信号，计算得到传感器信号电压V_Snsr;

4.2 信号电压范围诊断：

传感器信号电压V_Snsr是否处于合理范围内，综合考虑误差情况，若V_Snsr>1.7V，报出故障码=电压过高;若V_Snsr<0.5V，报出故障码=电压过低。

4.3 传感器电源复位：

车辆行进过程中，但识别到一定的累计时间内，捕获不到任何信号脉冲，那么MCU软件逻辑上通过SPI向电源管理系统发送传感器电源复位指令，若仍然无上升沿的捕获，那么报出故障码传感器失效;若通过此次电源复位，传感器信号恢复正常，那么故障碼清零。在冬季尤其是在北方，车辆长时间停泊后第一次启动往往先经过一个暖机过程，环境温度短时间内升温较大，例如CVT的主、从动轮转速传感器一直没有信号齿转动，也就没有脉冲信号，而某些霍尔传感器往往会出现所谓的Block现象，也就是在一定时间内一直无脉冲信号且传感器环境温度存在较大跃迁，此后即使信号再转动，传感器也不输出脉冲信号。传感器电源复位的条件是传感器当前无输出，但是参考的对比信号正常运行，例如在CVT应用中，如果已检测到暖机后车辆已行进，达到一定的车速，如果从动轮、主动轮转速传感器仍没有信号输出，此时应对传感器电源进行复位。

这个电源复位功能可以从应用层软件逻辑上解决这个霍尔传感器Block问题。

4.4 转速方向识别：

当传感器信号电压V_Snsr处于合理范围内，而且没有Block问题，捕获到的信号上升沿，MCU开始计时，再捕获到信号下降沿，则MCU停止计时，记录为T，若75us≤T≤105us，则转速方向为逆时针;若35us≤T≤55us，则转速方向为顺时针。

4.5 转速计算：

当传感器信号电压V_Snsr处于合理范围内，而且没有Block问题，传感器识别的转速=单位时间内传感器信号电压上升沿捕获数量÷信号齿齿数，同时故障码复位。

5 验证

测试步骤及结论（测试数据见图4）：

5.1 电压范围诊断：通过外围模拟电路使传感器信号电压超出合理范围（0.5～1.7V），设置V_Snsr≈0.4V，故障码为电压过低（DFC_uLow=1）;若V_Snsr≈1.7V，故障码为电压过高（DFC_uHigh=1），符合预期。

5.2 方向识别：信号齿顺时针定速转动，Direction_CW=1;后逆时针定速转动，Direction_CCW=1，符合预期。

5.3 电源复位：以CVT从动轮信号齿为被测对象，因为从动轮与驱动轮之间是硬连接，若达到一定车速，但传感器仍始终处于≈0.7V，无脉冲信号输出，控制逻辑将传感器电源重新复位，此时传感器脉冲信号恢复正常，符合预期。

5.4 转速计算：通过已校准的变速器三电机台架设定驱动轮转速，从动轮400rpm→6000rpm，将台架实际转速与系统计算的转速作对比，整个过程的转速误差除了转速突变瞬间>0.5%，其余皆≤0.5%，符合预期。

6 总结

通过各项测试，故障诊断、电源复位、方向识别以及转速计算等功能符合设计预期，满足系统需求，对传感器的信号进行了各种故障诊断设计以及增加电源复位的软件逻辑，特别是电源复位功能，仅需做软件优化，不需升级传感器，就能有效地减少转速传感器在某些工况下不输出信号导致变速器售后误报故障的情况。

参考资料：

[1]《自动变速器电控系统及其应用软件开发技术》，徐向阳.

[2]《TLE4955C-E2 datasheet》，Infineon.

[3]《MPC5744P  Reference Manual》，NXP.