基于MLX90316客车雨刮角度传感器的研究

1  引言
传统的机械连杆传动式雨刮的缺点是噪声大,机械结构的故障率高。另外,汽车上安装有大面积的挡风玻璃时,传统的机械连杆机构就显得十分笨重,并且需要占据大量的空间。采用独立的双电机分别带动两只雨刮臂来取代传统的机械机构,由于左右雨刮器之间不存在机械连接,这样不仅大大降低了机械噪音,减少了故障率,结构也更加紧凑,电机的功率和体积都可以相应的降低。
针对双电机雨刮器两电机协调工作的问题,本文以MXL90316为为主要芯片,开发一种新型霍尔位置传感器,分别安装在两个雨刮臂上,对雨刮臂摆动角度进行360°检测,并且对两只雨刮臂可以实现任意角度的控制,使两雨刮电机实现同步协调运作。

2  传感器的硬件设计
2.1  MXL90316
Melexis公司采用专业的先进工艺技术以及一种独特的磁通压缩方法,设计了新的MLX90316霍尔效应旋转位置传感器。普通的水平(或者平面)霍尔传感器只能感应垂直在 IC表面的磁通量,而三轴的霍尔传感器能在单点感应到磁通量的三个分量。其实现方法是在十字形的两对平面霍尔片中心位置处放置一个直径为200μm、厚25μm的IMC,起到传感作用的是霍尔片(图1)。
当径向磁铁(通过圆形磁铁平面的磁场)在 IC上端旋转时,磁通分量BX和BY将产生两个正交的正弦波(图2)BX正比于cosine(α),BY正比于sine(α)。

原始霍尔信号V_X和V_Y分别与B_X和B_Y成正比。经放大后,MLX90316嵌入式DSP执行下列运算,从而得到角度信息:

其中:A为增益;V_X为X方向的原始霍尔信号;V_Y为Y方向的原始霍尔信号。
由于MLX90316为直接输出其上旋转磁铁的角度位置(最大360°),实际上就是IC传感器的旋转位置。
2.2  位置传感器的机械设计
带有MXL90316芯片的角度传感器的安装结构如图3所示。

MLX90316采用4个霍尔传感器和支持电路,并且在霍尔器件的上方设置一个铁磁集线盘,用于操纵z轴方向上磁通线。这样做的结果是:器件可在x、y和z平面中进行感测。霍尔传感器的输出传送至信号调节电路、A/D转换器、一个DSP微控制器与D/A转换器,来生成多种格式的输出信息。这些格式中包括模拟正弦/余弦、正交x/y信号(暗示旋转角度)和一个12位PWM输出,一个数字串行协议输出。
芯片提供PWM与串行协议输出,和一个输出模拟信号的DAC。另外,当传感器达到一个可编程的阈值时,开关输出就会改变电平。自诊断功能中包括内存检查、过压与欠压检测,和接地完整性检查。处理器带有一个看门狗定时器。另外,芯片会自检ADC、DAC与板上稳压器。
2.3  电路设计
角度传感器的电路设计如图4所示。

芯片前端是采用Triaxis霍尔技术的传感器。经霍尔传感器得到的二路正交模拟信号,经过放大处理后,由14位微分型A/D转换器进入芯片微处理器(DSP),再经由16位DSP处理之后的数字信号分3路输出。MLX90316输出具有12位角度分辨率与10位角度精度,并在一定程度上可以避免外围温度的变化对输出精度的影响。MLX90316具有3种输出:由12位D/A转换为模拟量输出;频率为100Hz~1kHz的PWM输出;数字模式下利用串行通信协议输出(SPI)。
因角度传感器针对双电机控制系统采用PWM调速控制,所以此处采用频率为100Hz-1kHz的PWM输出。

3  软件实现
对本文中雨刮角度传感器的研究要用到Melexis公司的Melexis PTC-04软件。Melexis PTC-04软件是一款Windows的应用程序,该软件给Melexis公司的可编程集成电路提供了一个用户界面。
PTC-04软件主要包含以下几部分:
(1)  MELEXIS可编程工具箱(MPT)。MPT是该可执行程序的主要部分。
(2)  用户界面。用户界面是该设备模块的一部分。
(3)  产品的具体功能(PSF)。

4  实验结果
在进行了一系列模拟实验后,按要求将两个角度传感器分别放到两个雨刮臂转动连接处,连接上示波器以后,我们可以看到传感器的输出曲线,进而可以知道该传感器是否处于正常工作状态。
图5为角度传感器的输出曲线。
图5为近似标准的双线性差分输出,该图表明角度传感器工作状态良好。角度传感器将两电机的检测信号传入同步驱动板的单片机中,经过比较处理,及时调整两电机在运行时的角度偏差,减少了雨刮臂停滞、失步等情况,大大降低了该雨刮同步控制器运作时的故障发生率。

5  结束语
本文针对双电机雨刮器结构,以MXL90316为主要芯片开发设计了一种新型的雨刮角度传感器,将其安放在两雨刮臂上,可实现0到360度的旋转位置检测、控制,进而保证两雨刮臂同步运行。控制精度可达到0.2°,并且成本低廉,安装方便,具有良好的市场前景。

参考文献:
[1] 王旭东.汽车电子控制装置与应用[M].北京:机械工业出版社,2007,(5):50-51.
[2] 冯渊.汽车电子控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999,(6):38-40.
[3] 董辉.汽车用传感器[M].北京:北京理工大学出版社,2005,(1):296-298.
[4] 潘旭峰.现代汽车电子技术[M].北京:北京理工大学出版社,1998,(1):37-38.
[5] 胡兴军,子荫.汽车传感器发展综述[J].重型汽车,2004,(2):27-28.
[6] AHMAD,AMJAD Z.Case Reports and Small Case series-Penetrating Orbital Injury by Automobile Wiper-Control Stalk[C].Archives of ophthalmology.2000:1701-1704.

作者简介:崔明琦(1988-),男,学士,研究方向:电机与电器自动化。