ABS系统用轮速传感器AD22157

摘要：AD22157是AD公司生产的一种基于霍尔效应的传感器，可作为车速传感器应用于汽车的ABS系统中。它具有较大的测速范围和较宽的使用温度范围，并且采用二线制电流操作，使用方便；还具有气隙诊断和反向电压保护功能。文中介绍了AD22157的内部结构及其工作原理，并对其误差源作了简要的说明。 关键词：霍尔效应；差模信号；误差源；调制；AD22157 １　概述 ＡＤ２２１５７是一种混合信号磁场转换器，它具有很大的测速范围（０～２５００Ｈｚ）和较宽的操作温度范围（－４０～１５０℃）， 同时具有二线制电流操作、气隙诊断和反向电压保护（－３０Ｖ）等一系列特性。它可在较大的车速范围内对汽车铁磁性目标轮进行车速与转动方向的测量。此外，还可在传送系统作传输速度的测量、接近测量、位移测量等。 ＡＤ２２１５７的结构框图如图１所示。 ２　ＡＤ２２１５７的主要特性 ＡＤ２２１５７采用二线制电流回路操作方式，适于在－４０～１５０℃的温度范围、＋２０Ｖ直流供电情况下持续工作，且在瞬时电压高达＋２７Ｖ时仍能维持正常工作。 ＡＤ２２１５７轮速传感器的输出电流脉冲为７ｍＡ或１４ｍＡ（静止偏置值为７ｍＡ）该传感器的输出电流脉冲的上升沿可准确定位于目标轮的轮毂。输出脉冲宽度则可由目标轮的运动方向和磁场强度来决定，并可按照主流系统制造商所推荐的现行工业标准编码为一组根据目标轮的运动方向和磁场强度预先定义的时间间隔。 它的脉冲宽度可根据所测量的差模磁场强度的不同而有所不同：ΔＢ＞４ｍＴ（正常磁场）、２ｍＴ＜ΔＢ＜４ｍＴ（低磁范围）、ΔＢ＜２ｍＴ（极低磁范围）三种不同磁场中具有不同的宽度输出。另外，在正常和低磁情况下，它还可提供车轮转动方向的测量。 在不同磁场强度范围下，其输出脉冲宽度的情况如图２所示。 在初始上电、目标轮停止或其它原因造成检测不到动态信号时，一个安全停止的失败信号就会以大约１．５Ｈｚ的频率重复产生。 ＡＤ２２１５７传感器内部集成有霍尔单元，并有相应的电路来减小霍尔器件参数的温漂，在与ＳｍＣｏ磁铁搭配使用时，该器件的补偿效果最佳。该结构充分发挥了ＣＭＯＳ电路线性度高和ＤＭＯＳ电路电压高的优点，因而能够使传感器在要求的环境下准确工作。 ＡＤ２２１５７还包括一个适应性的差模过零检测器，它能准确地检测出目标轮轮毂的位置。此结构减小了由于封装和温度对霍尔传感器阵列所造成的、使其输出脉冲的上升沿与上升沿之间时间间隔存在２％偏差的影响。 为保证测量的精确度，ＡＤ２２１５７舍弃了每次上电时或停止时的４个脉冲沿。它采用数字信号处理技术来增强功能，同时可减少在ＥＭＣ极限条件下可能产生的伪脉冲或脉冲丢失现象。 ＡＤ２２１５７采用单列５脚（ＳＩＰ）的封装形式，十分适合于作为车速传感器使用，它可方便地与一个安放在其后的偏置磁铁进行装配。 ＡＤ２２１５７的封装形式如图３所示。 ＡＤ２２１５７的主要极限参数如下： 最大电源电压：＋２７Ｖ； 最大输出电流（管脚２）：１８ｍＡ； 工作温度范围：－４０～１５０℃； 片芯最高温度：１９０℃。 ３　原理与应用 ３．１ 工作原理 ＡＤ２２１５７轮速传感器实际上是一个二线制电流调制传送器，它可根据磁场在空间的差模变化产生相应的电流脉冲。在其应用于轮速传感器时，它所探测到的磁场是一个放置于其后面的永久磁铁和位于传感器前端、目标轮上的铁制凹槽标记相互作用产生的。在这种条件下，传感器必须抵消恒定的磁场偏置，并放大差模调制磁场，从而准确判断目标轮的转动情况。 ３．２ 信号检测原理 ＡＤ２２１５７轮速传感器采用集成在硅衬底上的霍尔片结构来对磁场进行空间差模测量，从而抵消了偏置磁场的影响。此霍尔结构由直线排列的三组霍尔单元构成，可用于一些不窄于５ｍｍ的锯齿或凹槽输出对应的正交信号。 每组霍尔单元都由４个独立的、直径为２００μｍ、排列成空间十字形的霍尔片并联构成（如图４所示）。此排列方式有利于减轻使用时逐渐增加的倾斜度对霍尔信号电压造成的影响。 霍尔阵列由三组匹配的电流源供电，在此电流下的灵敏度为５μＶ／Ｇａｕｓｓ。三组霍尔效应传感器可分为两组，并分别与仪器放大器相连，中间的霍尔片同时与两个放大器相连。这种结构可使两组空间差模磁场信号转变为电信号，其峰—峰值与差模磁场信号和霍尔片偏置电流成正比。 因此，如果霍尔阵列与车轮斜度相匹配，那么，ＡＤ２２１５７中的空间差模阵列所测得的霍尔信号将按正弦规律变化。 ３．３ 信号调制前的误差源 霍尔传感器除了可以产生所需的空间差模信号外，通常还会产生以下几种误差： （１） 得到补偿的磁场偏置。该误差源主要来源于霍尔片灵敏度的不匹配、霍尔片偏置电流的不匹配以及穿过偏置磁铁表面的磁通密度发生变化等因素。 （２） 霍尔片固有失调。这种情况源于霍尔片接触面不平造成的未对准、生产厂商要求的霍尔片扩散的公差不一致、以及封装的机械压力所引起的局部平坦度变化等。 （３） 霍尔单元受温度灵敏度的影响。这种影响大约为４５０～%26;#177;１５０ｐｐｍ／℃。 （４） 受温度影响的电路结构所产生的失调。通常该装置对于前级放大器输出的总体影响在几百ｍＶ的数量级上，并且会随温度朝正或负方向变化几十ｍＶ。 从电路角度考虑，该放大器会进一步造成信号的输入失调，但这一失调分量一般少于１ｍＶ，通常在几百μＶ的量级。 ３．４ 信号调整 信号调整的作用是补偿失调误差，并准确判断差模信号的过零点（差模信号是由霍尔单元产生的相互正交的正弦信号，产生的正弦信号的频率由目标轮的转速决定）。它们之间的关系如图５所示。其正交信号之间的相位关系可用于判断车轮旋转的方向。 该装置的信号调整采用了两个单独的测量通道。第一通道用于检测过零点信息，并提供边沿信息的主信号源。第二通道仅对信号相位作比较，以提取转动方向的信息。每个通道都包含２个极值采样／保持电路和一个１０位模／数转换器。 每个通道都使用由两个Ａ／Ｄ转换器构成的采样／保持电路来对各自的信号进行极值检测。其中一个采样／保持电路检测峰值，另一个是检测谷值。ＤＡＣ的电压输出反映了任意时刻信号的峰—峰值。这个电压的中间值可作为ＰＷＭ中的过零检测器的参考值。此结构可保证在任何操作条件下都可检测出１ｋＨｚ信号（上升沿至上升沿）%26;#177;２％的相位抖动。 通道１还给出了被测信号的峰—峰值，此结果可用于测量与空气隙直接相关的磁场强度或用于空气隙诊断，同时可结合通道２的方向信息计算ＰＷＭ中的输出脉冲宽度。 由于空气气隙设置值不同，或车轮跑偏造成空气气隙发生动态变化时，霍尔信号的输出峰—峰值也会相应发生改变。因此，用一个固定分辨率的１１级转换器可能不能保证信号峰值的采样精度。鉴于这种情况，在用１１级转换器无法跟踪信号时，应对转换器的精度进行相应调整。 ３．５ 霍尔片偏置 霍尔单元的偏置值设置应使ＡＤ２２１５７的灵敏度温度系数与稀有磁性材料的灵敏度温度系数大小相等而极性相反。例如，可选ＳｍＣｏ＝－４５０ｐｐｍ／℃或者Ａｌｎｉｃｏ５－７＝－３００ｐｐｍ／℃，这样就会使ＰＷＭ的输出值保持良好的稳定性。 ３．６ 操作模式 当接收到上电复位信号、停止信号或者无磁场时，每个通道的采样／保持电路都将分别复位到它们的最大和最小电压值，然后再向内跟踪直到检测到霍尔信号。即通道１（Ｓ／Ｈ ｍａｘ）向霍尔信号最大值增加，通道１（Ｓ／Ｈ ｍｉｎ）向最小值减小，图６给出了上电、停止域无磁场时的信号跟踪曲线。 为确保得到霍尔信号的峰值，开始的四个过零事件一般不引起信号输出。复位后的第三个过零信号之前也不执行采集操作模式。随着ＤＡＣ信号开始跟踪霍尔信号的峰值，系统将在四个过零事件之后，使转换器进入变化模式，此操作模式将使ＤＡＣ电压追踪并保持霍尔信号的峰值，从而为车轮跑偏和失调等情况保持一个有效的过零点。 ３．７ ＰＷＭ过程和输出过程 脉宽调制器（ＰＷＭ）完成信号调制的最后一步是将霍尔信号的过零点信息、信号幅值、车轮转动方向等信息转换为一位脉宽调制信号。脉宽的第一个边沿由通道１的过零事件决定。脉冲宽度由方向和信号幅值决定，如图６所示。 所有信号调制事件都是与内部时钟同步的，异步的过零点事件将被排列至下一个时钟沿，而这将导致最大延迟时间为１．４μｓ。输出脉冲宽度由１９位计数器调制，该计数器既可作为脉冲宽度调制器，又可作为一个看门狗定时器。 计数器时序如下： （１）计数器收到一个过零事件后复位； （２）延时４５μｓ后输出脉冲的上升沿； （３）幅度阈值和方向被解码，并输出合适宽度的脉冲信号； （４）计数器复位； （５）若在计数器溢出前７４５μｓ未接收到过零信号，将输出１个停止脉冲。 跟踪器复位是为了保证当无过零事件发生时，失调校正电路仍能工作，但在无过零事件发生时间过长时，失调校正对于由温度产生的漂移将不起作用。 ＡＤ２２１５７传感器根据输入的脉冲可将输出电流调制成７ｍＡ或１４ｍＡ两个电流值。其中７ｍＡ的电流值代表静止状态或逻辑零状态。