利用霍爾器件TLE 4921-3U實現齒輪速度測量

在汽車等應用環境惡劣的條件下實現旋轉體的速度測量具有一定挑戰性，需要在考慮輻射干擾、電磁干擾和傳導干擾等因素的同時，確保測量的可靠性和測量精度。

本文綜合考慮了這些實際的環境因素，介紹了利用TLE 4921-3U實現齒輪速度測量的實現方法和實用的電路設計。

英飛凌科技在TLE 4921-3U上集成了兩個霍爾傳感器、一個差分放大器以及評估電路，該器件只評估場強差異值，而不是的場強值，這意味著溫度漂移、制造容差和磁場環境等因素對測量結果的影響可以降到zui低。

如果采用一個帶外部電容的高帶通濾波器對測量信號進行動態處理，將可進一步減小干擾影響。

該器件目的是在惡劣的汽車環境中應用。

一個小的*偏磁體需要用來感應各種形狀的鐵磁齒輪，正確的切換能確保檢測出輪齒和齒隙之間的zui小場強差異。

對于一個470nF的濾波電容來說，典型的較低切換頻率大約為10Hz。

TLE 4921-3U器件的封裝厚度為1毫米，只有四個引腳。

功能設計

當該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場中時，其上的兩個霍爾傳感器將產生同樣的輸出信號。無論該磁場的強度有多大，它們之間的差值總為零。

然而，由于一個單元面向磁場集中的輪齒，另一個單元則面向一個齒隙，如果兩個霍爾單元之間存在磁場梯度，那么將產生一個差值信號，并在芯片上放大。

實際上，這個差值體現了一個小偏移，它可由相應集成的控制機制來修正。這種動態差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。

如圖1所示，一個施密特觸發器用來對該信號進行數字化，一個開集電極輸出電路提供輸出信號。芯片上還集成了過壓保護、反極性保護和抗電磁干擾功能，因而可以應用在汽車中常見的惡劣環境。

工作方法

對于差值信號的生成和評估，這里可以一個感應鐵磁齒輪這樣的典型應用來解釋。安裝在器件背面任何一端的一個*磁體產生一個恒定的偏置磁場，器件內的兩個霍爾傳感器相隔2.5毫米。

如果一個傳感器暫時面對一個輪齒而另一個面對齒隙，那么該輪齒將作為一個磁通量聚集器，它通過該霍爾傳感器增加了磁通密度，由此產生一個差分信號。隨著齒輪的轉動，該差分信號的極性將改變，改變的速度同輪齒與齒隙之間變換的速度一樣。

當過零點直接出現在該輪齒或齒隙的中心時，該輪齒的邊緣就會產生zui大的差值。當該差值超過上限閾值時，TLE 4921-3U的輸出晶體管將關斷。這就是圖2中靠近管腳4的霍爾傳感器2感應到該輪齒的情況。隨著差值降到下限閾值，晶體管打開，這就是靠近管腳1的霍爾傳感器1感應到輪齒。

其上集成的高通濾波器利用一個時間常數來調節該差值信號到零，該時間常數可由一個外部電容來設定。這種方式只對那些以zui低速率變化的差值進行評估（zui低速率取決于電容值）。

輸出信號在穩態下沒有限定，它所達到的精度將允許存在小的切換磁滯和較大氣隙（zui大3.5毫米）。

齒輪、感應距離和角精度

一個齒輪可由其模數來表征：m=d/z。其中d是齒徑，z是輪齒數量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計算公式為T=π×m。

當一個霍爾傳感器面對一個輪齒而另一個霍爾傳感器面對一個齒隙時，感應到的差值zui大。該器件內兩個霍爾傳感器的間隔為2.5毫米，在模數為1，對應的齒距為3.14毫米的條件下，該器件都可以感應到差值。如果該模數大于3或者齒輪不規則，將可能在一段較長時間內檢測不到足夠的差值，這意味著輸出信號將不確定。

傳感器和齒輪之間允許的zui大距離是溫度、模數、磁體和速度的一個函數，速度可以用每次輪齒/齒隙轉變時在輸出端出現一個脈沖來表征。

如果減小距離，將產生較大的有用信號。因此，切換精度可以隨傳感器低/高轉變次數的增加而增加，這種低/高轉變可以代表齒輪的一個旋轉角度。

濾波器電容

濾波器電容在該霍爾器件的修正功能中起重要作用。如果一個應用需要工作在100攝氏度以上的溫度條件下，建議采用陶瓷電容（X7R）。濾波電容引腳和GND管腳之間的連接線要盡可能短。在濾波電容引腳處的漏電流將引起切換閾值的漂移以及誤切換。切換閾值的漂移可以按下式計算：

其中I_L、S_C和R_C分別是漏電流、對ΔB的濾波器靈敏度和濾波器輸入阻抗，這些參數在數據手冊中都已給出。要特別注意選用高DC阻抗的電容，同時要注意其封裝。漏電流可能出現在該連接之間的印刷電路板上，或者出現在一個有缺陷的電容中，而且漏電流有可能是傳感器功能失效的一個原因。

抑制供電線路瞬態干擾

圖3所示為采用TLE 4921-3U的測量電路。濾波電容C_F（470nF）直接連到管腳4，另外在供電線路上加一個旁路電容（C_S=4.7nF），并采用一個300Ω的串聯電阻（測試脈沖5采用400Ω電阻）。某些應用不允許這樣高的串聯電阻，因為會引起供電電壓下降。如果采用50到150Ω的較小串聯電阻，那么幾乎不會對下面的結果產生影響，僅對脈沖5會有些影響。由于其長達400ms的持續時間，這種所謂的負載突降（load-dump）脈沖會使TLE 4921-3U器件產生很高的功耗。如果沒有一個足夠大的串聯電阻，該器件也許會損壞。因此，zui小的電阻必須適應有關應用的負載突降需求，反之亦然。另一種可供選擇的方法是在供電線路上加一個抑制二極管，這樣就不必采用大串聯電阻。

輻射干擾

這個測試在一個TEM單元內進行，安裝有霍爾傳感器的印刷電路板進行了優化。從測量結果可以看出在整個頻率范圍內，在高達160V/m的磁場內TLE 4921-3U的工作不受到影響。

為優化TLE 4921-3U的EMI性能，首先要考慮印刷電路板的布局。下面的推薦依據的是內部測試該器件時獲得的EMI測量結果。

元件參數值

C_F=470nF 高通濾波電容

C_S=4.7nF 可選的高頻旁路電容

R _P =0~330Ω 與C_P形成電源線上的低通濾波器

C_P=4.7nF 防止電導耦合和快速干擾脈沖

R _q =33Ω 與C_q用來平滑信號的下降沿

C_q=4.7nF

R_L=330Ω 負載電阻

以下是降低輻射干擾的優化措施：

1．接地（GND）：電路板上的基準點是霍爾器件的GND管腳。為了避免傳導干擾，到GND管腳的所有連線應該形成星形連接，否則抗干擾電磁的性能將會下降。

2．濾波電容的連接：濾波電容C_F和GND管腳之間的連線要盡可能短（的情況是C_F的位置緊靠該霍爾器件），而且要考慮到上面所提的到GND管腳的星形連接結構。否則，建議在C_F和TLE 4921-3U之間采用第二個較小的電容（例如82nF），其目的是縮短在C_F和各對應管腳之間的連線。這個措施僅適用于該霍爾器件附近只有很少可用空間的情況。

3．接地屏蔽：建議將該濾波電容的GND連線延伸出去，作為該電容到C管腳連接的一個接地屏蔽。

4．附加的RF旁路：RF旁路電容C_S能夠進一步提高抗電磁干擾性能。

上面列舉的優化步驟的效果（其重要性依次下降）會根據系統的具體特征（傳感器、電纜和控制單元）而變化，并不是所有這些措施都需要采用，要根據具體的應用要求來定。

探測旋轉速度

輪齒傳感器的輸出信號是矩形波，開關狀態的每次改變代表從輪齒到齒隙的一次變換。對于矩形輪齒（例如模數2）和1到2毫米的感應距離來說，信號的占空比幾乎為1:1。速度信息的形式取決于具體的應用，可能為數字形式，也可能為模擬電壓形式。

1. 模擬評估

速度控制是傳統控制工程中zui常見的任務。模擬控制器（比例、比例積分和比例積分微分）針對的受控變量是正比于速度的電壓。獲得這個正比于速度的電壓的*步就是傳感器輸出信號通過一個單穩態的邊沿觸發器轉換成一個方波信號，其“開”時間固定，“關”時間可變（取決于速度）。第二步是進行線性平均，采用一個轉換系數使它正比于速度。

一個運動線圈儀表特別適合于速度的模擬顯示，這在較低的截止頻率（一般為10Hz）情況下它是一個理想的平均器。

2. 數字評估

如果正比于速度的電壓以數字形式生成，或者相關的系統中有一個微計算機可作為數字控制器，那么該速度很容易計算出來。

將齒輪傳感器連接到一個微控制器的計數輸入端（例如，8051單片機上計數器0的外部輸入端），通過計數確定時間窗口（T_window）內該傳感器輸出高/低轉變的次數就可知道齒輪的旋轉速度。通過仔細確定這個時間窗口寬度，這個速度無須經過轉換就可直接生成“每分鐘轉數（rpm）”值。例如一個具有15個輪齒的齒輪所需要的時間窗口是4秒。如果在該時間窗口內計數的脈沖是一個，這將對應1轉/分。同時，這也是可以達到的zui高分辨率。

然而，因為微控制器的工作頻率很高，所以設定長的時間窗口挺麻煩。如果你選擇一個較短的時間窗口，那么該計數值必須乘一個修正系數，其比率在理想情況下和實際的窗口相配。不過，所達到的測量精度和分辨率zui多只相當于這個系數。

例：

具有15個輪齒的齒輪，時間窗口是4秒。

實際的時間窗口是40毫秒，修正系數是100。

如果在這個設定的實時窗口內計數到一個脈沖，對應速度為100轉/分。

如果沒有脈沖，顯示值將為0。

由此，可以看出其測量底限可通過時間窗口的選擇來確定。

旋轉的感應檢測

1. 用邏輯電路實現

用兩個傳感器就可簡單地實現旋轉感應的檢測。這些傳感器應該安放在齒輪的圓周線上，以便它們的輸出信號在相位上相差90度。這些傳感器的切換順序通過一個邊沿觸發的D觸發器轉換成一個靜態的方向信號，因為依據旋轉感應，一個傳感器將比另一個傳感器更早切換。

該動態齒輪傳感器的輸出信號只在速度高于zui低速度時才有效，對于方向信號也一樣。所以當一個齒輪被制動并接著開始朝反方向旋轉時，在停止點附近的輸出信號和方向信號并不一定正確。

2. 用軟件實現
切換序列也可由一個微控制器和軟件來實現評估。將這些傳感器信號連接到微控制器的兩個中斷輸入上，與此同時，可以用軟件監測較低的截止頻率。如果傳感器信號沒有超過該較低的截止頻率，那么就不對它們進行評估。