ABS系統(tǒng)用輪速傳感器AD22157

   摘要：AD22157是AD公司生產(chǎn)的一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器，可作為車速傳感器應(yīng)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(jié)構(gòu)及其工作原理，并對其誤差源作了簡要的說明。

    關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；差模信號；誤差源；調(diào)制；AD22157

１　概述

ＡＤ２２１５７是一種混合信號磁場轉(zhuǎn)換器，它具有很大的測速范圍（０～２５００Ｈｚ）和較寬的操作溫度范圍（－４０～１５０℃），同時具有二線制電流操作、氣隙診斷和反向電壓保護（－３０Ｖ）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(biāo)輪進行車速與轉(zhuǎn)動方向的測量。此外，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。

ＡＤ２２１５７的結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

２　ＡＤ２２１５７的主要特性

ＡＤ２２１５７采用二線制電流回路操作方式，適于在－４０～１５０℃的溫度范圍、＋２０Ｖ直流供電情況下持續(xù)工作，且在瞬時電壓高達＋２７Ｖ時仍能維持正常工作。

ＡＤ２２１５７輪速傳感器的輸出電流脈沖為７ｍＡ或１４ｍＡ（靜止偏置值為７ｍＡ）?該傳感器的輸出電流脈沖的上升沿可準(zhǔn)確定位于目標(biāo)輪的輪轂。輸出脈沖寬度則可由目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)編碼為一組根據(jù)目標(biāo)輪的運動方向和磁場強度預(yù)先定義的時間間隔。

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：ΔＢ＞４ｍＴ（正常磁場）、２ｍＴ＜ΔＢ＜４ｍＴ（低磁范圍）、ΔＢ＜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(biāo)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(fù)產(chǎn)生。

ＡＤ２２１５７傳感器內(nèi)部集成有霍爾單元，并有相應(yīng)的電路來減小霍爾器件參數(shù)的溫漂，在與ＳｍＣｏ磁鐵搭配使用時，該器件的補償效果最佳。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了ＣＭＯＳ電路線性度高和ＤＭＯＳ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(zhǔn)確工作。

ＡＤ２２１５７還包括一個適應(yīng)性的差模過零檢測器，它能準(zhǔn)確地檢測出目標(biāo)輪輪轂的位置。此結(jié)構(gòu)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間間隔存在２％偏差的影響。

為保證測量的精確度，ＡＤ２２１５７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(shù)來增強功能，同時可減少在ＥＭＣ極限條件下可能產(chǎn)生的偽脈沖或脈沖丟失現(xiàn)象。

ＡＤ２２１５７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。 ＡＤ２２１５７的封裝形式如圖３所示。

ＡＤ２２１５７的主要極限參數(shù)如下：

最大電源電壓：＋２７Ｖ；

最大輸出電流（管腳２）：１８ｍＡ；

工作溫度范圍：－４０～１５０℃；

片芯最高溫度：１９０℃。

３　原理與應(yīng)用

３．１ 工作原理

ＡＤ２２１５７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(yīng)的電流脈沖。在其應(yīng)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久磁鐵和位于傳感器前端、目標(biāo)輪上的鐵制凹槽標(biāo)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(zhǔn)確判斷目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動情況。

３．２ 信號檢測原理

ＡＤ２２１５７輪速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由直線排列的三組霍爾單元構(gòu)成，可用于一些不窄于５ｍｍ的鋸齒或凹槽輸出對應(yīng)的正交信號。

每組霍爾單元都由４個獨立的、直徑為２００μｍ、排列成空間十字形的霍爾片并聯(lián)構(gòu)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。

霍爾陣列由三組匹配的電流源供電，在此電流下的靈敏度為５μＶ／Ｇａｕｓｓ。三組霍爾效應(yīng)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(jié)構(gòu)可使兩組空間差模磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，其峰—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，ＡＤ２２１５７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。

（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(zhǔn)、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４５０～±１５０ｐｐｍ／℃。

（４） 受溫度影響的電路結(jié)構(gòu)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(fù)方向變化幾十ｍＶ。

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１ｍＶ，通常在幾百μＶ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(zhǔn)確判斷差模信號的過零點（差模信號是由霍爾單元產(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(biāo)輪的轉(zhuǎn)速決定）。它們之間的關(guān)系如圖５所示。其正交信號之間的相位關(guān)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１０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(gòu)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。ＤＡＣ的電壓輸出反映了任意時刻信號的峰—峰值。這個電壓的中間值可作為ＰＷＭ中的過零檢測器的參考值。此結(jié)構(gòu)可保證在任何操作條件下都可檢測出１ｋＨｚ信號（上升沿至上升沿）±２％的相位抖動。

通道１還給出了被測信號的峰—峰值，此結(jié)果可用于測量與空氣隙直接相關(guān)的磁場強度或用于空氣隙診斷，同時可結(jié)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(shè)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—峰值也會相應(yīng)發(fā)生改變。因此，用一個固定分辨率的１１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１１級轉(zhuǎn)換器無法跟蹤信號時，應(yīng)對轉(zhuǎn)換器的精度進行相應(yīng)調(diào)整。

３．５ 霍爾片偏置

霍爾單元的偏置值設(shè)置應(yīng)使ＡＤ２２１５７的靈敏度溫度系數(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＝－４５０ｐｐｍ／℃?或者Ａｌｎｉｃｏ５－７＝－３００ｐｐｍ／℃，這樣就會使ＰＷＭ的輸出值保持良好的穩(wěn)定性。

３．６ 操作模式

當(dāng)接收到上電復(fù)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(fù)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(fù)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ＤＡＣ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ＤＡＣ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(dǎo)致最大延遲時間為１．４μｓ。輸出脈沖寬度由１９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(fù)位；

（２）延時４５μｓ后輸出脈沖的上升沿；

（３）幅度閾值和方向被解碼，并輸出合適寬度的脈沖信號；

（４）計數(shù)器復(fù)位；

（５）若在計數(shù)器溢出前７４５μｓ未接收到過零信號，將輸出１個停止脈沖。

跟蹤器復(fù)位是為了保證當(dāng)無過零事件發(fā)生時，失調(diào)校正電路仍能工作，但在無過零事件發(fā)生時間過長時，失調(diào)校正對于由溫度產(chǎn)生的漂移將不起作用。

ＡＤ２２１５７傳感器根據(jù)輸入的脈沖可將輸出電流調(diào)制成７ｍＡ或１４ｍＡ兩個電流值。其中７ｍＡ的電流值代表靜止?fàn)顟B(tài)或邏輯零狀態(tài)。