ABS系統(tǒng)用輪速傳感器AD22157精

1、ABS系統(tǒng)用輪速傳感器 AD22157摘要：AD22157 AD公司生產(chǎn)的一種基于霍爾效應的傳感器，可作 為車速傳感器應用于汽車的ABS系統(tǒng)中。它具有較大的測速范圍和較寬的使用 溫度范圍，并且采用二線制電流操作，使用方便；還具有氣隙診斷和反向電壓 保護功能。文中介紹了 AD22157的內(nèi)部結構及其工作原理，并對其誤差源作了 簡要的說明。關鍵詞：霍爾效應；差模信號；誤差源；調(diào)制； AD22157 1 概述A D 2 2 1 5 7 是一 種混合信號磁場轉(zhuǎn)換器， 它具有很大的測速范圍 （02500Hz）和 較寬的操作溫度范圍（一 4 01 5 0 C）,同時 具有二線制電流操作、氣 隙診斷和反向電

2、壓保護 （3 0 V）等一系列特 性。它可在較大的車速范 圍內(nèi)對汽車鐵磁性目標輪 進行車速與轉(zhuǎn)動方向的測 量。止匕外，還可在傳送系 統(tǒng)作傳輸速度的測量、接 近測量、位移測量等。AD 2 2 1 5 7的結構框圖如圖1所示。2 A D 2 2 1 5 7的主要特性AD 2 2 1 5 7采用二線制電流回路操作方式，適于在4 015 0c 的溫度范圍、+2 0V直流供電情況下持續(xù)工作，且在瞬時電壓高達+2 7 V 時仍能維持正常工作。AD 2 2 1 5 7輪速傳感器的輸出電流脈沖為7mA或1 4mA （靜止偏 置值為7 mA）該傳感器的輸出電流脈沖的上升沿可準確定位于目標輪的輪轂。輸出脈沖寬度則

3、可由目標輪的運動方向和磁場強度來決定，并可按照主流 系統(tǒng)制造商所推薦的現(xiàn)行工業(yè)標準編碼為一組根據(jù)目標輪的運動方向和磁場強 度預先定義的時間問隔。它的脈沖寬度可根據(jù)所測量的差模磁場強度的不同而有所不同： A B > 4 mT （正常磁場）、2mT< A B< 4 mT （低磁范圍）、 AB<2mT （極 低磁范圍）三種不同磁場中具有不同的寬度輸出。另外，在正常和低磁情況下，它還可提供車輪轉(zhuǎn)動方向的測量在不同磁場強度范圍下，其輸出脈沖寬度的情況如圖2所示。在初始上電、目標輪停止或其它原因造成檢測不到動態(tài)信號時，一個安全 停止的失敗信號就會以大約1.5Hz的頻率重復產(chǎn)生。AD

4、 2 2 1 5 7傳感器內(nèi)部集成有霍爾單元，并有相應的電路來減小霍爾 器件參數(shù)的溫漂，在與SmC。磁鐵搭配使用時，該器件的補償效果最佳。該 結構充分發(fā)揮了CMO S電路線性度高和DMO S電路電壓高的優(yōu)點，因而能 夠使傳感器在要求的環(huán)境下準確工作。AD 2 2 1 5 7還包括一個適應性的差模過零檢測器，它能準確地檢測出 目標輪輪轂的位置。此結構減 小了由于封裝和溫度對霍爾傳 感器陣列所造成的、使其輸出 脈沖的上升沿與上升沿之間時 問間隔存在2 %偏差的影響。為保證測量的精確度，A D 2 2 1 5 7舍棄了每次上電 時或停止時的4個脈沖沿。它 采用數(shù)字信號處理技術來增強 功能，同時可減少

5、在E M C極限條件下可能產(chǎn)生的偽脈沖或脈沖丟失現(xiàn)象AD 2 2 1 5 7采用單列5腳（SIP）的封裝形式，十分適合于作為車速傳感器使用，它可方便地與一個安放在其后的偏置磁鐵進行裝配。AD2 21 5 7的封裝形式如圖3所示。AD 2 2 1 5 7的主要極限參數(shù)如下：最大電源電壓：+ 2 7 V;最大輸出電流（管腳2） : 18mA;工作溫度范圍：4 01 5 0 C ；片芯最高溫度：19 0C。3 原理與應用AD 2 2 1 5 7輪速傳感器實際上是一個二線制電流調(diào)制傳送器，它可根 據(jù)磁場在空間的差模變化產(chǎn)生相應的電流脈沖。在其應用于輪速傳感器時，它 所探測到的磁場是一個放置于其后面的永

6、久磁鐵和位于傳感器前端、目標輪上 的鐵制凹槽標記相互作用產(chǎn)生的。在這種條件下，傳感器必須抵消恒定的磁場 偏置，并放大差模調(diào)制磁場，從而準確判斷目標輪的轉(zhuǎn)動情況。3. 2信號檢測原理AD 2 2 1 5 7輪速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結構來對磁場進 行空間差模測量，從而抵消了偏置磁場的影響。此霍爾結構由直線排列的三組 霍爾單元構成，可用于一些不窄于5 mm的鋸齒或凹槽輸出對應的正交信號。每組霍爾單元都由4個獨立的、直徑為2 0 0 pm、排列成空間十字形的 霍爾片并聯(lián)構成（如圖4所示）。 此排列方式有利于 減輕使用時逐漸增 加的傾斜度對霍爾 信號電壓造成的影 響?；魻栮嚵杏扇?組匹配的電

7、流源供 電，在此電流下的 靈敏度為5 pV/ Gauss。三組 霍爾效應傳感器可分為兩組，并分別與儀器放大器相連，中間的霍爾片同時與兩個放大器相連。這種結構可使兩組空間差模磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺浞逡?峰值與差模磁場信號和霍爾片偏置電流成正比。因此，如果霍爾陣列與車輪斜度相匹配，那么，AD 2 2 1 5 7中的空間 差模陣列所測得的霍爾信號將按正弦規(guī)律變化。3. 3信號調(diào)制前的誤差源霍爾傳感器除了可以產(chǎn)生所需的空間差模信號外，通常還會產(chǎn)生以下幾種 誤差：(1 )得到補償?shù)拇艌銎?。該誤差源主要來源于霍爾片靈敏度的不匹 配、霍爾片偏置電流的不匹配以及穿過偏置磁鐵表面的磁通密度發(fā)生變化等因 素。

8、(2)霍爾片固有失調(diào)。這種情況源于霍爾片接觸面不平造成的未對準、 生產(chǎn)廠商要求的霍爾片擴散的公差不一致、以及封裝的機械壓力所引起的局部 平坦度變化等。(3 )霍爾單元受溫度靈敏度的影響。這種影響大約為4 5 0± 1 5 0 p p m / o(4 )受溫度影響的電路結構所產(chǎn)生的失調(diào)。通常該裝置對于前級放大器 輸出的總體影響在幾百mV的數(shù)量級上，并且會隨溫度朝正或負方向變化幾十 m V o從電路角度考慮，該放大器會進一步造成信號的輸入失調(diào)，但這一失調(diào)分 量一般少于1 m V ,通常在幾 百NV的量級3. 4信號調(diào)整信號調(diào)整的作用是補償失 調(diào)誤差，并準確判斷差模信號 的過零點(差模信號

9、是由霍爾 單元產(chǎn)生的相互正交的正弦信 號，產(chǎn)生的正弦信號的頻率由 目標輪的轉(zhuǎn)速決定)。它們之 問的關系如圖5所示。其正交 信號之間的相位關系可用于判 斷車輪旋轉(zhuǎn)的方向。該裝置的信號調(diào)整采用了兩個單獨的測量通道。第一通道用于檢測過零點 信息，并提供邊沿信息的主信號源。第二通道僅對信號相位作比較，以提取轉(zhuǎn)動方向的信息。每個通道都包含2個極值采樣/保持電路和一個1 0位模/數(shù) 轉(zhuǎn)換器。每個通道都使用由兩個A/D轉(zhuǎn)換器構成的采樣/保持電路來對各自的信 號進行極值檢測。其中一個采樣/保持電路檢測峰值，另一個是檢測谷值。D A C的電壓輸出反映了任意時刻信號的峰一峰值。這個電壓的中間值可作為P WM中的過

10、零檢測器的參考值。此結構可保證在任何操作條件下都可檢測出1 k H z信號(上升沿至上升沿)土 2 %的相位抖動。通道1還給出了被測信號的峰一峰值，此結果可用于測量與空氣隙直接相 關的磁場強度或用于空氣隙診斷，同時可結合通道2的方向信息計算PWM中 的輸出脈沖寬度。由于空氣氣隙設置值不同，或車輪跑偏造成空氣氣隙發(fā)生動態(tài)變化時，霍 爾信號的輸出峰一峰值也會相應發(fā)生改變。因此，用一個固定分辨率的1 1級 轉(zhuǎn)換器可能不能保證信號峰值的采樣精度。鑒于這種情況，在用1 1級轉(zhuǎn)換器 無法跟蹤信號時，應對轉(zhuǎn)換器的精度進行相應調(diào)整。3. 5霍爾片偏置霍爾單元的偏置值設置應使AD 2 2 1 5 7的靈敏度溫度

11、系數(shù)與稀有磁性 材料的靈敏度溫度系數(shù)大小相等而極性相反。例如，可選SmCo=4 5 0 p p m/ 或者 Al n i co5 7=3 00ppm/,這樣就會使 P W M的輸出值保持良好的穩(wěn)定性。當接收到上電復位信號、停止信號或者無磁場時，每個通道的采樣/保持 電路都將分別復位到它們的最大和最小電壓值，然后再向內(nèi)跟蹤直到檢測到霍 爾信號。即通道1 (S/H max)向霍爾信號最大值增加，通道1 (S/H min)向最小值減小，圖6給出了上電、停止域無磁場時的信號跟蹤曲線。為確保得到霍爾信號的峰值，開始的四個過零事件一般不引起信號輸出。復位后的第三個過零信號之前也不執(zhí)行采集操作模式。隨著D

12、A C信號開始跟 蹤霍爾信號的峰值，系統(tǒng)將在四個過零事件之后，使轉(zhuǎn)換器進入變化模式，此 操作模式將使D A C電壓追蹤并保持霍爾信號的峰值，從而為車輪跑偏和失調(diào) 等情況保持一個有效的過零點。3. 7 PWM過程和輸出過程脈寬調(diào)制器(PWM)完成信號調(diào)制的最后一步是將霍爾信號的過零點信 息、信號幅值、車輪轉(zhuǎn)動方向等信息轉(zhuǎn)換為一位脈寬調(diào)制信號。脈寬的第一個 邊沿由通道1的過零事件決定。脈沖寬度由方向和信號幅值決定，如圖6所 示。所有信號調(diào)制事件都是與內(nèi)部時鐘同步的，異步的過零點事件將被排列 至下一個時鐘沿，而這將導致最大延遲時間為1 . 4 仙s。輸出脈沖寬度由1 9位計數(shù)器調(diào)制，該計數(shù)器既可作為脈沖寬度調(diào)制器，又可作為一個看門狗定 時器。計數(shù)器時序如下：(1 )計數(shù)器收到一個過零事件后復位；(2 )延時4 5仙s后輸出脈沖的上升沿；(3)幅度閾值和方向被解碼，并輸出合適寬