基于MLX90316的汽车油门踏板的设计与研究

陈科球，刘彭义

(暨南大学 物理系 思源实验室，广东 广州 510632)

油门控制器是汽车的重要配件之一，它主要由油门踏板、踏板位移传感器、油门电控单元（ECU）、数据总线和执行器组成[1]。目前使用的大部分都是电子油门，它通过检测油门踏板踩下的角度，产生两组电压信号传送给ECU,ECU对该信息和其他系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，从而控制车辆的行驶速度。现行的汽车油门踏板所使用的传感器均采用碳膜接触式结构，通过触点在碳膜上滑动来改变阻值，时间久了存在磨损、接触不良、不回位等安全隐患。而采用MLX90316设计的汽车油门脚踏板除了具有灵敏度高、体积小的优点外，更因其非接触式测量的特点而具有无磨损、寿命长、抗恶劣环境、结构简单、安装方便等优势，具有广阔的市场前景。

1 MLX90316芯片介绍

Melexis公司的MLX90316芯片是一款线性霍尔传感器[2]，可输出与芯片表面平行磁场的角度位置信息。该传感器采用三轴霍尔技术，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，通过两对位于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[3]。两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)。这样两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两个相位差为90°的正弦信号（cos和 sin信号），VX和 VY经多路复用器选通放大，再由ADC转换为数字信号。芯片内置的 16位 DSP对这两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、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）。其芯片内部结构框图如图1所示。

2 MLX90316汽车油门踏板检测系统硬件设计

图1 霍尔芯片的结构框图

图2 MLX90316霍尔传感器检测原理

采用MLX90316角度传感器设计汽车油门踏板检测系统。将MLX90316芯片装入汽车油门脚踏板转轴内，替代现在的碳膜结构，硬件工作原理及实物如图2所示。在芯片上方放置的圆盘形永磁铁与油门脚踏板连接，当踩下踏板时，驱动圆盘形磁铁转动，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，由霍尔传感器检测。为方便实验，采用步进电机驱动圆盘形永磁铁，替代油门脚踏板，以模拟硬件汽车油门脚踏驱动，汽车油门脚踏板检测系统与控制电路的框图如图3所示，软件功能流程如图4所示。为了验证其可行性，使用精密角度传感器测试仪[4]，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[5]，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4 软件功能流程图

3 实验结果与分析

由于汽车油门脚踏采用的是双路输出模式，因此所制作的传感器使用的是MLX90316双芯片版，集成2个传感芯片。其测试界面如图5所示，第一路输出中低电平为0.295 V、高电平为1.850 V，第二路输出中低电平为 0.102 V、高电平为0.879 V。为了验证传感器，分别对其步进电机不同驱动转速下的独立线性度、重复性、一致性等做了测量。

3.1 传感器的独立线性度

线性度是传感器静态特性的一项重要指标[6]，它定义为传感器实际平均输出特性曲线对参考直线的最大偏差除以传感器满量程的百分比。根据所选定参考直线的不同，可获得不同的线性度。以最佳直线作为参考直线的线性度称为独立线性度。独立线性度是衡量传感器线性特性的最客观标准。首先模拟轻踩汽车油门脚踏板，以步进电机驱动圆盘形磁铁，以50 r/s的转速慢速转动，测得的MLX90316芯片输出电压V与转角θ之间的关系如图6所示的实线。然后用最小二乘法拟合得到最佳直线，如图6中的虚线。由传感器线性度的定义L=计算出该转速下MLX90316传感器的线性度为1.025%，该值较小，说明传感器在此转速下有良好的独立线性度。

图5 双路输出图形

图6 MLX90316芯片输出电压与转角θ的关系

3.2 独立线性度与电机频率测试

为全面考察MLX90316传感器在工作时的独立线性度，模拟在较重和重踩踏板情况下，分别以100 r/s、150 r/s、200 r/s、250 r/s、300 r/s、400 r/s、500 r/s、600 r/s、700 r/s、800 r/s的转速驱动圆盘形磁铁，得到各自的独立线性度与转速之间的关系，如图7所示。由图7可见，在各转速情况下，独立线性度均小于1.5%，优于现行汽车油门脚踏板检测系统。将MLX90316芯片装入汽车油门脚踏板转轴内，替代现行碳膜电阻油门脚踏板的独立线性度，达到了应用要求。图中随着转速增加，独立线性度有增大的趋势，这是因为ADS774JP的数据采集与频率相关，速度太快时可能采集到的数据有遗漏，但不同角度传感器在测量时对测试转速的改变所引起的独立线性度变化趋势基本是一致的。由图7看出，转速在50 r/s～300 r/s的情况下较佳，独立线性度小于1.03%，能满足实际应用需要。

图7 测量独立线性度在不同转速下的变化图

3.3 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本测试系统的重复性。转角范围为 50°，两路电压分别为0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度传感器重复测试12次，每次测量步进电机旋转两周(即 720°)，转速为 150 r/s。 其结果如图8所示，结果显示重复性能比较好，其独立线性度最大相差0.02%。

图8 双路重复测量的独立线性度

3.4 一致性测试

传感器的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本测试系统的一致性。转角范围为 50°，两路电压分别为 0.1 V～0.9 V和 0.3 V～1.85 V的角度传感器4个，分别测量12次，测量时步进电机旋转两周(即 720°)，转速为 150 r/s。 其测量结果如图9所示，结果显示此非接触式角度传感器的一致性比较好，其独立线性度保持在1%左右，4个电位器的参数基本保持一致。

图9 不同传感器的独立线性度测测试

由于市面上的汽车油门脚踏板都是基于碳膜滑动电阻器式设计的，存在磨损大、接触不良等缺点，本文设计了基于MLX90316非接触式双路输出汽车油门脚踏板，并研制了相应的测试系统。从检测结果来看，独立线性度、重复性和一致性都很好，可以替代碳膜滑动变阻器结构，具有很大的应用前景。

[1]李国锋，王云.基于单片机的汽车电子油门控制器的设计与实现[J].电子技术应用，2009，35(4)：137-140.

[2]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.

[3]HILIGSMANN V，RIENDEAU P.Monolithic 360 degrees rotary position sensor IC automotive applications[J].Proceedings of IEEE Sensors，2004，3(10)：1137-1142.

[4]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.

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

[6]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.