CN106771324A - 一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法 - Google Patents

一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁场探测领域，具体的说是一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法。该探测结构设置在传感器底部壳内，包括由第一、二霍尔芯片组成的横向霍尔单元比较对，还包括一个在轴向方向上设置的第三霍尔芯片和磁铁，第三与第一或第二霍尔芯片组成纵向霍尔单元比较对；磁铁设置于第一、二、三霍尔芯片上方、传感器外壳的支撑点上。本发明利用纵向霍尔单元比较对产生干扰标志位信号，当干扰标志位信号有效时，误触发的输出脉冲信号将被屏蔽。该探测结构及信号处理方法适用于可探测区域小于10mm，且可探测区域周围有干扰结构的特殊靶轮的转速测量，解决了转速输出信号的误触发现象。

Description

一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法
技术领域
本发明属于磁场探测领域，具体的说是一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法。
背景技术
霍尔效应是磁电效应的一种，广泛存在于金属及半导体材料，而半导体的霍尔效应比金属显著。以半导体为例，霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过时，如有一磁场也作用于该半导体材料上，则在垂直于电流方向的半导体两端，会产生一个很小的电压，该电压就称为霍尔电压，霍尔电压与磁场强度成正比。
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔芯片，分为开关型霍尔芯片和线性型霍尔芯片两种。开关型霍尔芯片输出信号为数字量，而线性型霍尔芯片在一定磁感应强度范围内输出电压有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。上述两种霍尔芯片内部都包括探测磁感应强度及获得霍尔电压的霍尔单元，通过对霍尔电压的不同电路处理，形成不同类型的输出信号。
目前霍尔式转速传感器一般采用特定芯片(如TLE4941plusC)，其内部存在两个横向布置的霍尔单元，芯片上部布置磁铁且下部放置可旋转的导磁靶轮。靶轮旋转造成其齿顶及齿底交替经过芯片下方，当齿顶经过芯片下方时，芯片处磁感应强度最大，当齿底经过芯片下方时，芯片处磁感应强度最小。这引起芯片内部两个霍尔单元处的磁感应强度不断变化且保持一定相位差。磁感应强度与霍尔单元输出电压成正比，将两个霍尔单元输出电压相减得到差分电压信号，在差分电压信号上升沿大于零电平时触发输出一个高电平脉冲信号，继而得到完整的转速信号波形。
而对于特殊形状的靶轮(可探测区域小于10mm，且可探测区域周围有干扰结构)，如离合器外壳，其可探测区域尺寸约为7mm，且可探测区域旁的齿顶上存在长圆孔凹槽会对转速测量造成干扰，造成输出信号误触发，影响转速测量准确性。
发明内容
本发明提供了一种在靶轮旋转方向(横向)霍尔单元比较对的基础上增加靶轮轴向(纵向)霍尔单元比较对的抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，该探测结构适用于可探测区域小于10mm，且可探测区域周围有干扰结构的特殊靶轮的转速测量，解决了转速输出信号的误触发现象。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，设置在传感器底部002的传感器外壳001内，包括由第一霍尔芯片110和第二霍尔芯片120组成的横向霍尔单元比较对，所述的第一霍尔芯片110和第二霍尔芯片120内部分别含有第一霍尔单元111和第二霍尔单元121，该结构还包括一个在轴向方向上设置的第三霍尔芯片130和磁铁100，所述的第三霍尔芯片130与第一霍尔芯片110或第二霍尔芯片120组成的纵向霍尔单元比较对；所述的第三霍尔芯片130内部含有第三霍尔单元131；所述的磁铁100设置于第一、二、三霍尔芯片110、120、130上方、传感器外壳001的支撑点上。
所述的第一、二、三霍尔芯片110、120、130为线性霍尔芯片。
所述的第一霍尔芯片110和第二霍尔芯片120中用于组成纵向霍尔单元比较对的芯片，其输出信号电压相位需提前于另一芯片。
所述的磁铁100与第一、二、三霍尔芯片110、120、130的距离为0-5mm。
一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理方法，该方法包括以下步骤，假设第一霍尔芯片(110)输出信号电压相位提前与第二霍尔芯片(120)：
步骤一、设定i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)初始值；
当开机开始后，控制器(200)内运算芯片(210)将i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)设定为5V；
步骤二、计算i时刻的差分电压信号dV1(i)；
差分电压信号dV1(i)可采用下述公式求出：
dV1(i)＝VSIG1(i)-VSIG2(i)，
其中，VSIG1(i)为第一霍尔芯片(110)i时刻的输出信号电压，单位为V，VSIG2(i)为第二霍尔芯片(120)i时刻的输出信号电压，单位为V；
步骤三、判断i时刻的差分电压信号dV1(i)是否正向过零电平电压；
运算芯片(210)按如下判断：
当dV1(i)>0,且dV1(i-1)≤0时，则i时刻的差分电压信号dV1(i)判断为正向过零电平电压，否则dV1(i)不判断为正向过零电平电压；
步骤四、将dV1(i-1)赋值；
运算芯片(210)将dV1(i)的值赋给dV1(i-1)；
步骤五、判断干扰标志位信号Sig_block(i)是否有效；
差分电压信号dV2(i)可采用下述公式求出：
dV2(i)＝VSIG1(i)-VSIG3(i)，
其中，VSIG1(i)为第一霍尔芯片(110)i时刻的输出信号电压，单位为V，VSIG3(i)为第三霍尔芯片(130)i时刻的输出信号电压，单位为V；
当dV2(i)大于设定阈值TL(为0.2V，可标定)，则干扰标志位Sig_block(i)有效，否则Sig_block(i)无效；
步骤六、产生输出脉冲信号；
当dV1(i)处于正向过零点且干扰标志位Sig_block(i)无效时，输出信号触发一个脉冲信号Cout，否则转速输出信号不触发脉冲信号，如果不停机，则在下一个时间步长点继续往复计算步骤二及其后步骤；如果停机，则计算结束。
本发明的有益效果为：
1、采用本发明提出的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法，可以有效屏蔽由于靶轮上特殊形状造成的误触发输出脉冲信号，保证转速测量的准确性；
2、采用本发明提出的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构及信号处理方法，可以准确检测干扰源在靶轮上位置。
附图说明
图1是特殊形状靶轮及传感器相对位置示意图；
图2是图1中特殊形状靶轮可探测区域的局部放大图；
图3是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的示意图；
图4是图3中B—B处剖视图；
图5是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理电路；
图6是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的差分电压信号dV1的信号处理方法示意图。
图7是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的差分电压信号dV2的信号处理方法示意图。
图8是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的干扰标志位信号Sig_block的信号处理方法示意图。
图9是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的输出脉冲信号Cout_Err、Cout的信号处理方法示意图。
图10是本发明公开的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
实施例
参阅图1，转速传感器000布置于靶轮010上方(距离齿顶间隙一般为0.5-1.5mm)。磁场探测结构位于传感器底部002内。
参阅图2，靶轮010用于传感器转速测量的可探测区域011宽度一般小于10mm，且可探测区域011旁齿顶上存在开孔030，开孔030会在霍尔单元测得的磁感应强度信号上叠加干扰信号。
参阅图3、图4，一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，包括由第一霍尔芯片110和第二霍尔芯片120组成的横向霍尔单元比较对，该结构还包括一个在轴向方向上固定的第三霍尔芯片130和磁铁100，所述的第三霍尔芯片130与第一霍尔芯片110组成了纵向霍尔单元比较对；所述的磁铁100设置于第一、二、三霍尔芯片110、120、130上方、传感器外壳001的支撑点上。所述的磁铁100与第一、二、三霍尔芯片110、120、130的距离为0-5mm，用于在第一、二、三霍尔芯片110、120、130处产生磁场，当靶轮010旋转时，线性霍尔芯片处的磁感应强度会发生变化，继而其输出信号电压也发生变化。
参阅图4，所述的第一、二、三霍尔芯片110、120、130内部分别含有第一霍尔单元111、第二霍尔单元121和第三霍尔单元131。其中第一霍尔单元111、第二霍尔单元121横向对齐组成横向霍尔单元比较对，第一霍尔单元111和第三霍尔单元131纵向对齐组成纵向霍尔单元比较对。在第一、二、三霍尔芯片110、120、130布置位置时，需使得第一霍尔芯片110的输出信号电压相位提前于第二霍尔芯片120的输出信号电压相位，第三霍尔芯片130位置较第一霍尔芯片110靠近干扰源开孔030，第一、二霍尔单元111、121的中心连接线对准可探测区域020中间部位。
上述第一、二、三霍尔芯片110、120、130均采用型号为HAL49X的线性霍尔芯片，HAL49X的线性霍尔芯片的输出信号电压与磁场强度成正比，输出电压范围为0.5-4.5V。靶轮旋转造成其齿顶及齿底交替经过芯片下方，当齿顶经过芯片下方时，芯片输出信号电压值最大，当齿底经过芯片下方时，芯片输出信号电压值最小。
参阅图5，第一霍尔芯片110外接管脚包括传感器电源P_S1、传感器地P_GND1和输出信号P_SIG1；第二霍尔芯片120外接管脚包括传感器电源P_S2、传感器地P_GND2和输出信号P_SIG2；第三霍尔芯片130外接管脚包括传感器电源P_S3、传感器地P_GND3和输出信号P_SIG3；P_SIG1、P_SIG2、P_SIG3管脚输出信号电压为VSIG1、VSIG2、VSIG3。控制器200用于本磁场探测结构的供电及信号处理，包括转速传感器电源220(5V电源)及运算芯片210。传感器电源220通过P_S管脚连接管脚P_S1、P_S2、P_S3用于给第一、二、三霍尔芯片110、120、130供电。传感器电源220通过P_GND管脚连接管脚P_GND1、P_GND2、P_GND3用于给第一、二、三霍尔芯片110、120、130提供地电平。运算芯片210的模拟量电压采集管脚P_AD1、P_AD2、P_AD3用于采集管脚P_SIG1、P_SIG2、P_SIG3的VSIG1、VSIG2、VSIG3电压并进行相关计算。
参阅图6、图9，由于开孔030的存在，第一、二霍尔芯片110，120的输出信号电压VSIG1、VSIG2在正向峰值4.5V处存在一定程度下降。差分电压信号dV1为第一霍尔芯片110输出信号电压VSIG1与第二霍尔芯片120输出信号电压VSIG2的差值。按照传统的差分电压信号上升沿过零点处触发一个输出脉冲信号，由于开孔干扰，dV1会产生一个错误的上升沿过零点300和正确的上升沿过零点310，由此产生误触发的输出脉冲信号Cout_Err 301和正确触发的输出脉冲信号Cout 311。
参阅图7、图8，由于第三霍尔芯片130更接近开孔030，所以当靶轮齿顶开孔030旋转至第一、三霍尔芯片110、130附近时，两个霍尔芯片测得的输出信号电压会不同，二者最大相差约0.45V，其余时间二者相差很小。差分电压信号dV2为第一霍尔芯片110输出信号电压VSIG1与第三霍尔芯片130输出信号电压VSIG3的差值，当差分电压信号dV2大于设定的阈值TL时(0.2V，可标定)，干扰标志位信号Sig_block有效(电平为高)。
参阅图8、图9，在干扰标志位Sig_block有效这一段时间内转速传感器输出脉冲信号Cout_Err 301被屏蔽，由此仅正常的输出脉冲信号Cout 311得以保留。另外干扰标志位信号Sig_block有效时间点也可以指示靶轮干扰源的位置。
参阅图10，一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、设定i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)初始值；
当开机开始后，控制器200内运算芯片210将i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)设定为5V。
步骤二、计算差分电压信号dV1(i)；
差分电压信号dV1(i)可采用下述公式求出：
dV1(i)＝VSIG1(i)-VSIG2(i)，
其中VSIG1(i)为第一霍尔芯片110i时刻的输出信号电压，单位为伏(V)，VSIG2(i)为第二霍尔芯片120i时刻的输出信号电压，单位为伏(V)。运算芯片210通过模拟量电压采集管脚P_AD1、P_AD2采集电压VSIG1(i)、VSIG2(i)。
步骤三、判断差分电压信号dV1(i)是否正向过零电平电压；
运算芯片210按如下判断：
当dV1(i)>0,且dV1(i-1)≤0时，则差分电压信号dV1(i)判断为正向过零电平电压，否则dV1(i)不判断为正向过零电平电压。
步骤四、将dV1(i-1)赋值；
运算芯片210将dV1(i)的值赋给dV1(i-1)。
步骤五、判断干扰标志位信号Sig_block(i)是否有效；
差分电压信号dV2(i)可采用下述公式求出：
dV2(i)＝VSIG1(i)-VSIG3(i)，
其中VSIG1(i)为第一霍尔芯片110i时刻的输出信号电压，单位为伏(V)，VSIG3(i)为第三霍尔芯片130i时刻的输出信号电压，单位为伏(V)。运算芯片210通过拟量电压采集管脚P_AD1、P_AD3采集电压VSIG1(i)、VSIG3(i)。
当dV2(i)大于设定阈值TL(0.2V，可标定)，则干扰标志位Sig_block有效，否则Sig_block无效。
步骤六、产生输出脉冲信号
当dV1(i)处于正向过零点且干扰标志位Sig_block(i)无效时，运算芯片210触发一个输出脉冲信号Cout，否则不触发输出脉冲信号。如果不停机，则在下一个时间步长点继续往复计算步骤二及其后步骤；如果停机，则计算结束；
利用此发明，也可以在靶轮上设置特殊形状以形成标志点(例如齿顶设置圆柱凹槽)。利用上述转速传感器结构在不影响正常转速测量的同时可以准确探测标志点位置。如发动机启动点火角控制通常采用缺齿结构靶轮(如60齿靶轮缺2齿)进行初始点位置测量，但在缺齿的18°内无法做到准确的转速测量，而采用此结构则可保证此范围内仍保留转速测量的准确性。

Claims (6)

1.一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，设置在传感器底部(002)的传感器外壳(001)内，包括由第一霍尔芯片(110)和第二霍尔芯片(120)组成的横向霍尔单元比较对，所述的第一霍尔芯片(110)和第二霍尔芯片(120)内部分别含有第一霍尔单元(111)和第二霍尔单元(121)，其特征在于，该结构还包括一个在轴向方向上设置的第三霍尔芯片(130)和磁铁(100)，所述的第三霍尔芯片(130)与第一霍尔芯片(110)或第二霍尔芯片(120)组成的纵向霍尔单元比较对；所述的第三霍尔芯片(130)内部含有第三霍尔单元(131)；所述的磁铁(100)设置于第一、二、三霍尔芯片(110、120、130)上方、传感器外壳(001)的支撑点上。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，所述的第一、二、三霍尔芯片(110、120、130)为线性霍尔芯片。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，第一霍尔芯片(110)和第二霍尔芯片(120)中用于组成纵向霍尔单元比较对的芯片，其输出信号电压相位需提前于另一芯片。
4.根据权利要求1所述的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构，所述的磁铁100与第一、二、三霍尔芯片(110、120、130)的距离为0-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，假设第一霍尔芯片(110)输出信号电压相位提前与第二霍尔芯片(120)：
步骤一、设定i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)初始值；
当开机开始后，控制器(200)内运算芯片(210)将i时刻的上一时刻的差分电压信号dV1(i-1)设定为5V；
步骤二、计算i时刻的差分电压信号dV1(i)；
差分电压信号dV1(i)可采用下述公式求出：
dV1(i)＝VSIG1(i)-VSIG2(i)，
其中，VSIG1(i)为第一霍尔芯片(110)i时刻的输出信号电压，单位为V，VSIG2(i)为第二霍尔芯片(120)i时刻的输出信号电压，单位为V；
步骤三、判断i时刻的差分电压信号dV1(i)是否正向过零电平电压；
运算芯片(210)按如下判断：
当dV1(i)>0,且dV1(i-1)≤0时，则i时刻的差分电压信号dV1(i)判断为正向过零电平电压，否则dV1(i)不判断为正向过零电平电压；
步骤四、将dV1(i-1)赋值；
运算芯片(210)将dV1(i)的值赋给dV1(i-1)；
步骤五、判断干扰标志位信号Sig_block(i)是否有效；
差分电压信号dV2(i)可采用下述公式求出：
dV2(i)＝VSIG1(i)-VSIG3(i)，
其中，VSIG1(i)为第一霍尔芯片(110)i时刻的输出信号电压，单位为V，VSIG3(i)为第三霍尔芯片(130)i时刻的输出信号电压，单位为V；
当dV2(i)大于设定阈值TL(为0.2V，可标定)，则干扰标志位Sig_block(i)有效，否则Sig_block无效；
步骤六、产生输出脉冲信号；
当dV1(i)处于正向过零点且干扰标志位Sig_block(i)无效时，输出信号触发一个脉冲信号Cout，否则转速输出信号不触发脉冲信号，如果不停机，则在下一个时间步长点继续往复计算步骤二及其后步骤；如果停机，则计算结束。
6.根据权利要求5所述的一种抗干扰霍尔式转速传感器磁场探测结构的信号处理方法，其特征在于，利用纵向霍尔单元比较对产生的输出电压差分信号得到一干扰标志位信号，当干扰标志位信号Sig_block(i)有效时，由横向霍尔单元比较对产生的误触发输出脉冲信号将被屏蔽，由此仅正常的输出脉冲信号得以保留。
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