（动力机械及工程专业论文）基于霍尔效应的摩托车用节气门位置传感器的研究.pdf

中文摘要 随着人们对摩托车动力性、经济性、排放性要求的不断提高，发动机电子控 制技术也变得更加复杂。节气门位置传感器是发动机电子控制系统中非常重要的 传感器之一，它是点火提前角控制、怠速控制、起步加速控制等主要信号源。 传统的接触式摩托车用节气门位置传感器容易受到高温，振动影响而磨损或 被污染；安装于外部，工作环境较恶劣，工作一段时间后灰尘等污染物会残留在 节气门体上，影响整个电子控制系统的稳定性及控制效果。 本文研究开发了线性霍尔效应传感器，并应用于摩托车的电控系统中。主要 包括：设计霍尔效应传感器的磁路及外围电路；选用磁性能较高、价格合理的磁 性材料；使用f e m m 二维有限元分析软件及a n s y s 有限元软件对各个设计方 案进行磁路仿真；使用3 d 试验装置检测磁感应强度和磁场电压信号的线性输出 范围，并通过改变磁铁尺寸、磁铁与传感器距离等参数验证各个参数具体的影响 效果；按照可行性方案改进节气f - j 4 * 的机械结构。将设计的霍尔效应传感器安装 于节气f - j 4 * 上，并进行整车试验。 通过对霍尔效应传感器进行摩托车整车试验得到：当条形磁铁与霍尔效应传 感器的距离为1 l m m 时，霍尔输出电压范围由0 5 v - - 3 7 v ，线性误差范围为1 9 - - - 0 6 。虽然本研究得到的霍尔效应传感器的线性误差不是十分理想，但可 证明设计方案是可行的。同时，鉴于霍尔效应传感器的结构牢固、体积小、重量 轻、无触点、寿命长、安装方便、耐震动、耐污染、调试方便、工作温度范围宽、 能在各种不同情况下提供一致的性能。因此，将霍尔效应传感器应用于摩托车的 节气门体上具有重要意义。 关键词：霍尔效应节气门位置传感器磁路有限元分析 a b s t r a c t a sp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt od r i v e a b i l i t y ，e c o n o m ya n de x h a u s te m i s s i o n so f t h em o t o r c y c l e ，e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo fe n g i n eh a sb e c o m em o r ec o m p l e x t h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r ( t p s ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e n s o r si nt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mo fe n g i n e ，a n di ti st h em a i ns i g n a ls o u r c eo fs p a r ka d v a n c ec o n t r o l ， i d l ec o n t r o l ，s p e e d i n gu pc o n t r o lo ft h es t a r t ，a n ds oo n t h ec o n t a c tv a r i a b l er e s i s t o r sa r eu s e di nt h et r a d i t i o n a lt h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r o fm o t o r c y c l e ，h o w e v e r ，w h i c hi sv u l n e r a b l et oh i g ht e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o na n dt h e i m p a c to fw e a ro rp o l l u t i o n ，a n dt h ed u s ta n do t h e rp o l l u t a n t sw o u l dr e m a i ni nt h r o t t l e b o d yw h i l ew o r k i n gf o rs o m et i m eb e c a u s eo ft h es e n s o rb e i n gi n s t a l l e do nt h eo u t s i d e a n dt h ep o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t a 1 1o fw h i c hw o u l da f f e c ts t a b i l i t ya n dc o n t r o l e f f e c t i v e n e s so ft h ee n t i r ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m t l l i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nal i n e a rh a l le f f e c ts e n s o ra n di n s t a l li ti n e l e c t r o n i cc o n t r 0 1s y s t e mo ft h em o t o r c y c l e i tm a i n l yi n c l u d et h ed e s i g no ft h e m a g n e t i c c i r c u i ta n de x t e r n a lc i r c u i to fh a l le f f e c t s e n s o r ；c h o o s i n gm a g n e t i c m a t e r i a l sw i t h h i g hp r o p e r t i e s a n dr e a s o n a b l e p r i c e s ；d o i n gm a g n e t i c c i r c u i t s i m u l a t i o no nt h ev a r i o u sd e s i g nw i t hf e m mt h a ti st w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n da n s y s t l l a ti sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ；d e t e c t i n gt h em a g n e t i c f l u xa n dt h el i n e a ro u t p u tv o l t a g es i g n a lw i t h3 de x p e r i m e n t a ld e v i c e ，a n db y c h a n g i n gp a r a m e t e r ss u c ha st h es i z eo fm a g n e t s ，d i s t a n c eb e t w e e nm a g n e ta n ds e n s o r t oc e r t i f yt h es p e c i f i ce f f e c t so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ；i m p r o v i n gt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eo ft h et h r o t t l ea c c o r d i n gt ot h ef e a s i b l ep r o g r a m t h eh a l le f f e c ts e n s o rw i l l b ei n s t a l l e do nt h et h r o t t l e ，a n de n t i r ev e h i c l et e s t i n gi sc a r d e do u t t h et e s tr e s u l ti st h a tt h eh a l lo u t p u tv o l t a g er a n g e sf r o m0 5vt o3 7 v a n d l i n e a r i t ye r r o rr a n g e sf r o m 1 9 t 00 6 w h e nd i s t a n c eb e t w e e nt h e b a rm a g n e ta n d h a l l e f f e c ts e n s o ri sl1n l l n a l t h o u g ht h i ss t u d yo nt h eh a l le f f e c ts e n s o rl i n e a r i t y e r r o ri sn o ts op e r f e c t ，i td e m o n s t r a t e st h ed e s i g no fp r o g r a mi sf e a s i b l e a tt h es a m e t i m e ，i nv i e wo fs o l i ds t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l e s sw e i g h t ，n o n c o n t a c t ，l o n gi i f e ，e a s y i n s t a l l a t i o n ， s h o c k r e s i s t a n t ，p o l l u t i o n r e s i s t a n t ， c o n v e n i e n t d e b u g g i n g ， w i d e t e m p e r a t u r er a n g e ，a n dp r o v i d i n gac o n s i s t e n tp e r f o r m a n c ei nv a r i o u sc i r c u m s t a n c e s o ft h eh a l l - e f f e c ts e n s o r ，t h er e s e a r c ho nt h et p sb a s e do nh a l le f f e c ti sv e r y i m p o r t a n t k e yw o r d s ：h a l le f f e c t ，t h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r ，m a g n e t i cc i r c u i t ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：富扇缸签字日期：w8 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荡赫噬 导师签名： 如易文 签字日期：) 档年月日 签字日期：沙靠年 6 月6日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着微型电子计算机、新材料、新能源的研究开发和应用，给内燃机的发展 注入新的活力，使内燃机朝着更节能、排放更清洁的方向发展【l 】。我国是世界第 一的摩托车生产和消费大国。2 0 0 7 年摩托车产量是2 5 0 0 万辆，社会保有量超过 1 亿辆，占全世界摩托车总量的一半以上。据测算，我国摩托车每日消耗汽油大 约4 0 0 0 万升，c 0 2 排放量大约为8 4 0 0 公斤。从2 0 0 5 年到2 0 2 0 年，摩托车c o2 排放将由占总运输排放的7 8 上升到1 7 ；h c 排放将由7 5 上升到2 0 ， 在节能减排上升到国家战略高度的今天，加强摩托车污染物排放控制变得非常迫 切。 目前，电子控制技术不仅应用于燃油喷射，点火正时、增压压力和气门正时 等也都采用电子控制技术。因此，这种电子控制系统不仅是控制燃油喷射，而是 控制整个发动机，称之为发动机计算机管理系统( e m s ) 。发动机计算机管理系统 已成为当前内燃机技术发展的重要方向之一，并且也将成为推动内燃机行业发展 的主导技术之一【2 】。在汽油机电控领域，汽油机电控燃油喷射系统可以实现发动 机空燃比的精确控制，根据缸内实际工作情况调整空燃比，使燃料充分燃烧，明 显提高燃油经济性，同时确保三元催化转换器对有害排放物成分的很高的转换效 率。另外，燃油雾化特性、进气损失等方面也得到改进，同时结合其它技术，使 汽油机的稳定性、怠速、加速等性能明显提高【3 】。 从2 0 0 8 年7 月1 日起，我国将要实施更为严格的空气污染国i i i 排放标准。 根据国家摩托车技术中心提供的资料，要使各车型摩托车一致性地满足国i i i 排 放标准就必须使用电喷技术。如果现在中国所有摩托车全部安装上电喷系统，则 每天可以节约燃油6 0 0 万升，摩托车的有害排放物会减少一半以上。因此，电喷 系统对于摩托车的发展具有至关重要的作用。同时摩托车的电子控制技术具有与 汽车不同的特点，包括：摩托车排放要求高；对电控技术要求高；同时高性能、 多功能的传感器的开发也加速了微机在摩托车领域的应用。 本论文由天津大学一微开半导体汽车电子联合实验室支持 1 第一章绪论 1 2 车用传感器技术的现状及发展趋势 发动机用传感器作为发动机电子控制系统的信息源，是电控发动机系统的关 键部件。早在2 0 世纪6 0 年代，汽车发动机上仅有机油压力传感器、水温传感器、 油量传感器等，它们仅与仪表和指示灯相连；进入7 0 年代，为了解决发动机的节 能和排气净化两大技术难题，又增加了一些传感器来帮助控制车用发动机，以达 到节能和减少废气污染的目的；8 0 年代以后，随着电子技术的迅猛发展，电子控 制发动机系统也不断发展完善，逐步形成了当今性能卓越的电子集中控制系统， 电子集中控制系统主要包括：最佳点火提前角控制、最佳空燃比控制、怠速控制、 废气再循环控制、可变进气控制、二次空气控制、涡轮增压控制、发动机排量控 制、自我诊断控制等。电子集中控制系统的建立，必须有正确反映发动机各种工 作状态的传感器，根据传感器输入信号计算出发动机的最佳工作状态，由控制器 进行综合控制，因此传感器在车用发动机上得到了广泛的应用。传感器的种类很 多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体密度 传感器、爆震传感器、机油粘度传感器等。这些传感器向发动机电子控制系统提 供发动机在不同工作状况的信息，供控制器对发动机各工作状况进行精确控制， 以获得最佳燃油经济性，同时，提高了发动机的动力性能，减少废气排放。目前， 一般普通汽车发动机大约装有几十只至上百只传感器，高级汽车发动机则达两百 多只【5 j ，传感器的数量和质量已经成为衡量当代发动机发展水平的标志。 由于车用传感器在电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界 各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。未来的汽车用传感器 技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化 6 】【7 1 。 微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来的m e m s ( 微电子机械系 统) ，微型传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据 处理装置封装在一块芯片上，因为具有体积小、价格便宜、便于集成等特点，所 以可以明显提高系统测试精度。 多功能化是指一个传感器能检测两个或者两个以上的特性参数或者化学参 数，从而减少车用传感器数量，提高系统可靠性。 集成化是指利用i c 制造技术和精细加工技术制作i c 式传感器。 智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有c p u ，具有智能作用，以 减少e c u 的复杂程度，并减小体积，降低成本。 总之，随着电子控制技术的发展和电子控制系统日益广泛的应用，车用传感 器市场需求将保持高速增长，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐 步取代传统的传感器，成为车用传感器的主流。 第一章绪论 1 3 摩托车用节气门位置传感器的研究现状 节气门位置传感器简称t p s ( t h r o t t l ep o s i t i o ns e n s o r ) ，是电控发动机中非常重 要的传感器之一。节气门位置传感器安装在节气门体( 亦称节流阀体) 上，与节 气门轴保持联动，由驾驶员通过操纵摩托车手把带动节气门拉线运动。节气门位 置传感器的作用是将节气门开度大小的状态变为电信号送入电子控制器e c u 。电 子控制器e c u 根据节气门开度大小，获得发动机工况信息( 怠速、部分负荷、全 负荷) 和节气门开启的快慢程度及加速、减速信息。e c u 以此作为判断发动机不 同运行工况的依据，从而确定喷油器的喷油时刻和点火提前角。因此，节气门位 置传感器是发动机集中控制系统中的一个非常重要的传感器，它是怠速控制、起 步加速控制、急加速控制、急减速控制、断油控制、点火提前角控制、汽油蒸气 回收控制及自动变速器换档控制的主要信号。 传统的节气门位置传感器分为开关量输出型节气门位置传感器和线性输出 型节气门位置传感器。开关量输出型节气门位置传感器属两极型，是双触点电开 关，由检测怠速位置的怠速触点i d l 以及检测全负荷位置的全开触点( 亦称功率触 点) p s w 和可动触点构成，形成两副触点，一副是怠速触点，另一副是全负荷触 点。这两副触点的开关状态由一个和节气门同轴的凸轮控制。 线性输出型节气门位置传感器由一个线性电位器和一个怠速开关组成，线性 电位器由炭精镀膜电阻或陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点臂用复位弹簧控制，与节 气门同轴转动，其上有两个滑动电刷触点，一个是节气门开度信号用滑动触点， 另一个是怠速信号用滑动触点。 传统的节气门位置传感器由于采用接触式的可变电阻器，容易受到高温，振 动影响而磨损或被污染，标定也较困难；传感器受电源电压的影响，测量精度较 低；另外，传感器安装于外部，工作环境较汽车恶劣；节气门体上还连接有曲轴 箱通风管，机油蒸气会有一部分凝结在节气门体上，发动机在工作一段时间后， 节气门处会聚集油污、灰尘等杂质，影响整个系统的稳定性及控制效果。同时， 节气门位置传感器在节气门体上的安装位置不能随意改变。否则，由于初始位置 失准，将导致输出电压偏高或偏低，造成发动机以及电控自动变速器无法正常工 作；节气门体上的限位螺钉也不能乱调。开发用于摩托车的非接触式线性霍尔效 应传感器可以解决上述缺陷。 1 4 霍尔效应传感器的国内外研究现状及应用 霍尔( h a l l ) 在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现 第一章绪论 象时，发现了在金属片的侧面产生了微弱的电位差，这种物理现象被人们称为霍 尔效应。但是实用的霍尔效应传感器一直到人工生产的半导体材料成功之后才出 现，霍尔效应传感器以霍尔效应为其工作基础，是一种磁电转换的磁敏传感器， 可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。自霍尔元器件的生 产实现产业化以来，世界上主要的生产厂家，例如西门子( s i e m e n s ) ，霍尼韦尔 ( h o n e y w e l l ) ，阿列格洛( a l l e g r o ，原称s p r a g u e ) ，r r r ，南京中旭等公司都将汽车 作为自己产品的主要服务对象。针对汽车的特殊要求，例如工作温度范围宽，工 作环境多尘、多油污、振动加速度高( 达3 0 曲等博j ，进行产品的特殊设计和采用 特殊加工工艺。生产出了大量满足汽车使用要求的霍尔元件。例如霍尔翼片传感 器、齿轮传感差动霍尔电路、霍尔齿轮速度传感器、功率霍尔器件以及网络霍尔 传感器等一j 。 霍尔效应传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，无触点， 寿命长，安装方便，功耗小，频率高( 可达l m h z ) ，耐震动，不怕灰尘、油污、 水气及盐雾等的污染或腐蚀，调试方便等。同时，霍尔元件和永久磁体都能在很 宽的温度范围( 5 5 c 1 5 0 ) ，很强的振动冲击条件下工作，且磁场不受一般介 质的阻隔，霍尔器件已可完全密封，能极大地免除灰尘及污染的干忧，并能在各 种不同情况下提供一致的性能。另外，因为它的变换器组件能够和相关的信号处 理电路集成到同一片硅片上，体积小，成本低，同时具有较好的抗电磁干扰性能。 目前，霍尔效应传感器已广泛应于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航天 航空等工业部门及国防领域 1 0 】【l l j 。 按照霍尔效应传感器的功能可分为线性霍尔效应传感器和开关型霍尔效应 传感器。前者输出模拟量，后者输出数字量。其中，线性霍尔效应传感器由于灵 敏度高，线性度好，稳定、耐高温等特点，己广泛应用于非电量测量、自动控制、 计算机装置等领域。线性霍尔效应传感器采用双极半导体技术，将霍尔元件，恒 流源，线性差动放大器都集成在一块芯片上。由于把霍尔元件和放大器集成在同 一芯片上，因而把处理毫伏级模拟信号的问题大大简化。同时，线性霍尔传感器 的输出电压为伏级，是一个高灵敏度的磁敏器件，可以准确跟踪高斯级的微弱磁 场变化。所以将非接触式霍尔效应传感器应用于节气门体上，可以克服可变电阻 器带来的问题。同时，基于霍尔效应的节气门位置传感器可以输出较稳定的电压 信号，将此电压信号送入e c u ，来判断摩托车的运行工况，具有较高的有效性， 可靠性及耐久性。 迄今，已在汽车中各个系统广泛应用的霍尔效应传感器有： 1 、 在分电器中作信号传感器： 2 、 在无分电器点火系统中作发动机转速和曲轴角度传感器及点火脉 第一章绪论 冲触发器： 3 、作各种开关； 4 、作汽车速度表和里程表； 5 、 作防抱死制动系统( a b s ) 中的速度传感器； 6 、 在车用无刷直流电机中作位置传感器和电流换向器； 7 、 作各种液体检测器； 8 、作各种用电负载的电流检测及其工作状态诊断； 9 、 在o b d i i 型车载诊断器中作发动机熄火检测； 1 0 、 作自动制动系统( 替代手制动) 中的速度传感器； 11 、作蓄电池充电的电流控制器。 除此以外，霍尔效应传感器还可用于车用导航系统，变速器控制，汽车生产 线自动控制，以及公路挠性路面的检测掣1 2 1 。 1 5 本课题的意义及主要工作 1 5 1 本课题的意义 随着人们对摩托车动力性、经济性、排放性要求的不断提高，发动机电子控 制技术的发展也变得更加复杂和困难，而车用传感器作为发动机电子控制系统的 信息源，是发动机电子控制系统的关键部件，也是发动机电子控制技术领域研究 的核心内容之一。其中，节气门位置传感器是发动机电子控制系统中的一个非常 重要的传感器，它是点火提前角控制、怠速控制、起步加速控制、急加( 减) 速 控制、断油控制、自动变速器换档控制的主要信号源。 摩托车用节气门位置传感器的工作原理是驾驶员通过转动手把带动节气门 拉线运动，操作频繁，节气门开度的变化速率大，而汽车用节气门位置传感器安 装节气门体上，驾驶员通过加速踏板操纵，节气门开度的变化速率相对较小，而 且，由于摩托车上空间有限，所以不能安装复杂的电气系统；摩托车的工作环境 较汽车恶劣，发动机工作一段时间后油污、灰尘会凝结在节气门处，从而影响整 个系统的控制精度；同时考虑到成本问题，因此不能将汽车上现有的节气门位置 传感器直接应用于摩托车上。因此，为了解决现有摩托车用节气门位置传感器存 在的一系列问题，同时，鉴于线性霍尔效应传感器的优点，用线性霍尔效应传感 器取代传统的可变电阻器，应用于摩托车的节气门体上，能够改进传统节气门位 置传感器测量精度、工作可靠性、耐久性等问题。 第一章绪论 1 5 2 本课题的主要工作 本课题是天津大学和微开半导体( 上海) 有限公司共同建立的汽车电子联合 实验室的计划项目，目标是应用m i c r o n a s 提供的可编程线性霍尔元件，研究开 发基于霍尔效应的摩托车用直线位移式节气门位置传感器。所做的主要工作包 括： 1 、搜集关于车用霍尔效应传感器的资料，包括学术论文、产品信息、检测 设备、市场情况；对各高校的相关传感器实验室进行调研，积累实验室 建设经验，学习技术研究方法； 2 、掌握磁性材料的各性能参数，并结合节气门位置传感器具体工作环境的 要求，确定所需磁铁的种类、形状等参数； 3 、应用f e m m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o dm a g n e t i c s ) 一- - 维有限元分析软件进行 磁场仿真； 4 、应用a n s y s 有限元分析软件来实现磁场的三维仿真； 5 、使用3 d 实验台、高斯计，及搭建磁路来定量检测磁感应强度和磁场电 压信号的线性输出范围，并通过改变磁铁尺寸、磁铁与传感器距离等参 数验证各个参数具体的影响效果： 6 、改进节气f - j 4 * 的机械结构，将设计的霍尔效应传感器安装于节气门体上， 并将节气f - j 4 漆部件或固定件在摩托车上进行装配，进行霍尔效应传感器 样品的部分工程试验：通过试验检测霍尔效应节气门位置传感器的电压 输出信号，得到了影响摩托车用霍尔效应节气门位置传感器各性能参数 的变化规律。 第二章霍尔效应传感器 第二章霍尔效应传感器 2 1 霍尔效应传感器原理 霍尔( h a l l ) 在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现象 时，发现了金属片侧面产生微弱电位差的现象，这一现象称为霍尔效应。完整的 定义：当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物 体两侧产生电位差的现象称为霍尔效应。霍尔效应原来是在金属中发现的，但在 半导体中这个效应更为显著，而且能对于半导体的分析提供特别重要的依据。因 此，结合半导体的研究，霍尔效应的研究有了很大的发展【1 3 】。半导体材料制造工 艺和半导体应用技术的迅速发展，推动研究人员找到了霍尔效应比较显著的半导 体材料一锗。因此，利用霍尔效应制备出的第一个磁电传感器半导体锗霍尔元件 直到上世纪四十年代末由于半导体锗单晶的出现才得以成功。随着硅、砷化镓及 其化合物半导体材料器件与电路以及纳米技术的迅速发展，霍尔效应传感器研 究、开发和应用也得到高速发展。 图2 1 为霍尔效应原理图，霍尔元件是一长为，宽为w ，厚度为t 的半导 体薄片，当在矩形霍尔元件中通以如图中所示的电流i 并外加磁场b ，磁场方向垂 直于霍尔元件所在平面时，霍尔元件中载流子在洛仑兹力的作用下运动将发生偏 转，在霍尔元件上下边缘出现电荷积聚，产生电场e h 。该电场e h 称为霍尔电场， 稳态时，e h 和磁场对载流子的作用互相抵消，载流子恢复初始的运动方向，它使 霍尔元件上下边缘产生电位差，称为霍尔电压v h 。近似有 踟：旦，b ( 2 1 ) q n t 其中r h 称为散射因子，主要由半导体材料的能带结构和载流子散射机制决定。q 为载流子电荷，1 1 为载流子浓度。定义此时霍尔元件中任意一处的电流和电场的 夹角为霍尔角，其大小为： + t a n 卢= b ( 2 - 2 ) 其中为载流子的霍尔迁移率：t z h = r h ! 比，为迁移率。图2 1 中的所标v h 方向在 载流子为电子时正确，当载流子是空穴时要反号。 第二章霍尔效应传感器 图2 - 1 矩形霍尔元件 霍尔元件长为l ，宽为w ，厚度为t ；c 1 ，c 2 为输入电极，加上偏置电流i ；s l ，s 2 为输出电极， 又叫霍尔电极，宽为s ，外加磁场垂直于霍尔元件表面。 如果样品长度非常短( ， _ 7 图3 - im i c r o n a s 线性霍尔效应传感器的工作原理 l n p t d 2 d id 设计基于霍尔效应的节气门位置传感器，目的是将节气门开度大小的信号转 变为最终的电压信号，并将此电压信号传入电子控制器e c u ，e c u 咀此作为判 断发动机不同运行工况的依据，从而确定喷油器的喷油时刻和点火提前角。本研 究的目标是探讨活塞或闸板式节气门休能够使用的、基于霍尔效应的节气门位置 传感器。这种直线位移式节气门体的特点在于，通过拉线直接控制节气门活塞或 闸板的开度大小，与转板式节气门体相比，其在怠速位置附近节气门开启面积变 田一 囤 第三章霍尔效应节气门位置传感器组件的研究开发 化线性度好，并且流通孔的面积周长比大，抗积炭抗污染能力强。如果小排量摩 托车采用这种节气门体，可以简化怠速控制系统设计，提高怠速进气量的稳定性。 直线位移式节气门体的节气门开启面积和节气门拉线运动位移之间存在着 一一对应的关系。通过设计磁路，建立磁感应强度和运动位移的线性关系，并且 依靠霍尔效应传感器内部带有的电压比例输出和数字信号处理过程，得到霍尔输 出电压和位移之间的线性关系，由上述过程，最终建立起霍尔输出电压和节气门 开启面积的一一对应关系。当节气门开度由零变为到全开时，节气门拉线运动的 位移约2 0 r a m ，因此本研究的目的是寻求2 0 m m 的范围，在这个范围内磁感应强 度分布曲线呈良好的线性关系。 评价霍尔效应传感器性能的主要参数为霍尔输出电压的线性误差，计算方法 见公式( 3 一1 ) 。 理想直线的斜率为： k ：拿；：娑 相应点的理论值：b 小理= k ( m 一) + b m ( j 5 0 0 0 04 0 0 0 0 6 0 0 0 ( g s o e )2 0 0 0 0 密度( g c m 3 ) 7 28 7 57 6 57 8 居旱温度( ) 5 7 04 0 07 4 07 7 0 带材厚度( m m ) 0 0 2 5 0 0 3 5o 1 5o 3 磁芯叠片系数 0 70 。9o 9 5 针对霍尔效应传感器对软磁材料的要求，在实际应用中选择饱和磁感应强度 高、价格低廉、加工性能好的电工纯铁。 3 4 磁路仿真与设计 3 4 1 仿真分析软件 仿真分别采用了f e m m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o dm a g n e t i c s ) - - 维有限元分析软 件和a n s y s 有限元分析软件。 3 4 1 1f e m m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o dm a g n e t i c s ) 二维有限元分析软件 f e m m 二维有限元分析软件主要用于解决二维平面或轴对称的低频电磁场 问题，同时还可以处理线性月 线性静磁场、线性非线性谐波磁场、线性静电场、 稳态热流场等问题。 第三章霍尔效应节气门位置传感器组件的研究开发 f e m m 二维有限元分析软件的仿真过程可分为三个部分： l 、 前处理，也叫预处理，包含类似于a u t o c a d 的多个文件界面， 可创建或导入几何模型，定义所要解决问题的形式、尺寸、材料 特性； 2 、 设定边界条件，边界条件主要包括3 种：狄拉克雷( 平行) 、诺 依曼( 垂直) 、罗宾( 两者混合) ，见公式( 3 1 2 ) ； 上丝- + c ：0 i - c o ai( 3 1 2 )+ =l j - i z j 乒l r 1 0o n 3 、 求解运算，对所要解决的问题区域划分网格，也就是有限元分析 过程； 4 、 后处理，查看分析结果，主要包括所要研究问题的数据文件，图 形文件以及某特定区域的偏微分方程。 3 4 1 2a n s y s 有限元分析软件 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司推出的有限元分析软件。目前，a n s y s 软 件在有限元分析领域得到了最广泛的应用。a n s y s 有限元分析软件是第一个通 过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、 美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析软伊2 7 1 。 a n s y s 软件能够分析结构力学、热学、声学、电磁学等各个方面的内容， 其功能非常强大【2 8 1 。a n s y s 程序包括前处理器、求解器、后处理器和几个辅助 处理器( 如优化处理器) ，并具有良好的开放性，使得用户能够在a n s y s 系统 上进行二次开发和扩展新的功能。在电磁分析领域，a n s y s 软件能够计算静态 电磁场、谐性电磁场和瞬态电磁场，针对不同的有限元计算模型，在a n s y s 软 件中电磁场的计算可以分为二维和三维两大类【2 9 1 。 a n s y s 有限元分析软件的仿真过程分为以下几步： 1 、 建立有限元模型，包括定义单元类型、定义永磁和软磁材料的 属性( 相对磁导率，b h 曲线等) 及创建有限元模型，： 2 、 加载和求解，包括定义分析类型和设置分析选项、施加载荷、 选择求解方法、求解； 3 、 查看后处理结果。 3 4 2 数值仿真模型的建立 以条形磁铁为例，具体说明使用f e m m 二维有限元分析软件建立数值仿真 模型的方法： 第三章霍尔效应节气门位置传感器组件的研究开发 4 ， 5 、 6 、 7 、 建立新的磁场分析问题； 选择模型建立的形式( 轴对称或平面) ，本方案选择平面，设定 模型长度的单位( 厘米) ，频率( 0 ) ，模型尺寸为3 0 x 55 ( 长 高) ； 确定边界通常建立两层空气场来更好的模拟磁场的分布情况， 边界选择为圆形，且外圆的半径为磁路模型长度的3 4 倍；边 界条件选择混合边界，系数c i = 0 ，c o = l 恤q + c e n t i m e t e r ) ，其 中p a 为真空磁导率； 设置材料属性，磁性材料选择为n d f e b 3 2 m g o e ，外围选择空 气： 划分网格磁性材料网格划分的大小为00 l ，第一层空气场网 格划分的大小为o1 ，第二层空气场网格划分的大小为0 2 ，仿真 模型如图3 3 所示： 求解计算； 查看后处理结果见囤3 4 ，例如查看距离磁铁表面5 m m 处直 线上磁感应强度分布情况，见囤3 5 。 图3 3 条形磁铁n d f e b 的数值= 仿真模型 第三章霍尔教应节气门位置传感器组件的研究开发 竺竺竺塑唑_ _ 一 图3 - - 4 条形磁铁n d f e b 的f e m m 仿真磁场分布 圈3 5 距离磁铁表面5 一的直线上磁感应强度分布曲线 第四章试验设计方案介绍 第四章试验设计方案介绍 4 1 设计方案l 一条形磁铁s l i d e b y 运动形式 条形磁铁s l i d e bz # 重- 动形式的磁路结构如图4 1 所示，磁路由一块条形磁铁组 成，磁铁沿图中所示的x 方向运动。通常情况f 选用的条形碰铁是沿短轴方向磁 化的。鉴于本研究所要求的磁感应强度b 和位移x 关系曲线的线性范围较大本 设计方案选用的条形磁铁沿长轴方向磁化，通过数值仿真模拟和台架试验测量通 过霍尔效应传感器的磁感应强度b 与位移x 之间的关系曲线。影响b x 曲线线性度 的主要参数包括磁铁材料、尺寸及磁铁与霍尔效应传感嚣之间的距离( 通常称为 空气隙) 。本设计方案选用的条形磁铁的磁性材料为s i r l z c o l 7 和n d f e b ，性能参 数见表3i 。根据节气1 7 体的进气量( 即进气口径的大小) 及节气门拉线运动的 位移( 2 0 r a m ) ，分别对尺寸为8 m m x3 0 m m 55 m m ( 宽长高) 和8 m m 5 0 m m 55 m m 的磁铁进行研究。条形磁铁的f e m m 仿真磁感应强度分布如图4 2 所 币。 s “1 8 。、- - a a r _ 图4 i 条形磁铁s l i d e - b y 运动形式 圈4 0 设计方案1 的f e m m 仿真磁场分布圈 撼 髫 第四章试验设计方案介绍 4 2 设计方案2 一主、副空气隙的磁路结构 如图4 3 所示，此磁路结构包括主、副两个空气隙永磁体置于主空气隙中 且永磁体沿短轴方向磁化，并沿罔中所示的x 方向运动，霍尔效应传感器置于副 空气隙中。通过数值仿真模拟和台架试验测量通过霍尔效应传感器的磁感应强度 b 和永磁体运动位移x 的关系曲线。影响b x 曲线线性度的主要参数包括永磁体 材料和尺寸、软磁体材料和尺寸及软磁体所构成的主空气隙的太小。本设计方案 选用的永磁材料为s m 2 c o 性能参数见表3 一l ，软磁材料选用电工纯铁，性能 参数见表3 - - 2 。根据节气门体的进气量( 即进气口径的大小) 及节气门拉线运动 的位移( 2 0 m m ) ，本方案选定的永磁体尺寸分别为6 m m 2 5 m m 2 m m ( 宽 长高) 、6 m m x 2 5 r a m l m i l l 、6 m m 2 2 r a m 2 m m 、6 m m 2 2 m m i m m ，软 磁体的尺寸分别为6 r a m 1 i t o n i 2 m m 和6 r a m 2 2 m m 2 m m 。本方案设计目的 是通过改变影响b x 曲线线性度的参数，使曲线在2 0 m m 的范围内具有良好的线 性度。设计方案2 的f e m m 仿真磁场分布如图4 _ 4 所示。 图”主、副空气隙的磁路结构 o 。 i n! 。一 目4 - 4 设计方案2 的f e m m 仿真磁场分布图 2 2 第四章试验设计方蹇介绍 4 3 设计方案3 一单空气隙的磁路结构 单空气隙的磁路结构如图4 5 所示，永碰体沿短轴方向磁化并沿图中所示 的x 方向运动与设计方案2 的区别在于软磁体的数目、尺寸及霍尔效应传感器 所处的位置不同，通过数值仿真模拟和台架试验测量通过霍尔效应传感器的磁感 应强度b 和永磁体运动位移x 的关系曲线。影响bx 曲线线性度的主要参数包括永 磁体材料和尺叫、软磁体材料和尺寸及软磁体所构成的空气隙的大小。本设计方 案选用的水磁材料为s m 2 c o l7 ，性能参数见表3 1 ，软磁材料选用电工纯铁，性 能参数见表3 - 2 。根据节气门体的进气量( 即进气口径的大小) 及节气门拉线运 动的位移( 2 0 r a m ) ，本方案选定的磁铁尺寸分别为6 m m 2 5 r a m x 2 m m ( 宽 长高) 、6 m m 2 5 r a m l m m 、6 m m 2 2 r a m x 2 f n m 、6 m m x 2 2 m m l m m ，软 磁体的尺寸分别为6 m m i l m m 2 m m 和6 m m 2 2 m m x 2 r r a n 。设计目的仍是改 变影响b _ x 曲线线性度的参数，使曲线在2 0 m m 的范围内具有穗好的线性度。设 训方案3 的f e m m 仿真磁场分布如图4 6 所示。 s o n m a 单b e = 互 a 蚓f - 一 f 一 图4 - 5 单守气隙的磁路结构 图斗6 设计方案3 的f e m m 仿真的磁场分布图 第四章试验设计方案介绍 4 4 设计方案4 一对称梯形磁铁的磁路结构 本方案的磁路结构如图4 7 所示，永磁体的磁化方向分别沿图中箭头所示的 方向，永磁体沿图中所示的x 方向运动使用f e m m 二维有限元分析较件建立 数值仿真模型，得到通过霍尔效应传感器的磁感应强度b 和磁体运动位移x 的 关系曲线。影响b - x 曲线线性度的主要参数包括永磁体的形状( 倾斜角度e ) 、材 料和尺寸，软磁体材料、尺寸以及霍尔效应传感器与磁体之间的距离皿曲。通过 改变这些参数使b x 曲线的线性范围达到2 0 m m 。根据节气门体的进气量( 即 进气口径的太小) 及节气门拉线运动的位移( 2 0 m m ) ，本方案选定的磁铁尺寸分别 为6 m m x 6 t m n x 2 5 x 7 r a m ( 下底高上底x 斜边) ，软磁体的尺寸分别为6 m m x 2 0 m m x3 m m ( 宽长高) 。本设计方案的磁铁为不规则形状，加工复杂，成 本较高，因此，仅对本方案进行了初步的数值仿真模拟，f e m m 仿真磁感应强 度分布如图4 8 所示。 图4 7 对称梯形磁铁的磁路结构 - 软磁体2 , 3 - 永磁体牟霍尔效应传感器 第四章试验设计方案舟绍 一i 自。d u r 0 ，u q 图4 8 设计方案4 的f e m m 仿真磁场分布图 第五章试验装置及试验数据分析 5 i 试验装置 5 t 13 d 试验台 第五章试验装置及试验数据分析 本试验使用的是联合实验室自主开发的3 d 试验台，如图5 1 所示。通过 控制步进电机可实现x - y - z 三个方向的微位移运动。电机控制系统主要是由运动 控制器、具有i s a p c i p c i 0 4 接口的主机、步进电机、驱动器组成。本实验台的 软件操纵界面如图5 2 所示。通过控制软件界面，可毗选择按指定距离、按指 定速度、点动方式等三种不同的运动形式，同时还可以显示指定移动参数( 移动 距离、移动速度) 和当前移动参数( 当前位置、当前速度) 。通过选择紧急停止 功能键，可避免因试验人员的疏忽而造成台架的损坏。3 d 试验台的主要技术参 数见表5 1 。 圈5 - - i3 d 试验台 第五章试验装复j 瑟试验数据分析 图s 一23 d 试验台的软件操作界面 表5 一l3 d 试验台的主要技术参数 、竺 运动控制器步进电机 日本三洋 型号 g e 4 0 0 - s g - p c i g 1 0 3 h 5 4 8