CN113776416B - 一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式测量踏板位置的装置。一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，包括一个移动磁场源，移动磁场源与踏板相连，在移动磁场源的一侧设有静止磁场源和一个位移传感器，其中移动磁场源相对于位移传感器可移动，静止磁场源相对于位移传感器不可移动，位移传感器具有至少两组霍尔单元。本发明提供了一种结构简单，成本低，体积小，精度高，不需要辅助的处理单元和辅助措施的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置；解决了现有技术中存在的非接触式的检测装置结构复杂，成本高，磁铁长度大，精度不够，容易受到磁场干扰影响的技术问题。

Description

一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式测量踏板位置的装置，具备抗外界磁场干扰的功能，特别是车辆上的油门踏板，刹车踏板和离合器踏板。

背景技术

汽车领域中，各种执行机构如踏板的位置信息都需要被检测并用于控制车辆的行驶。非接触式的检测方法提供了免于磨损的优点，而磁性方法对于污垢和损伤非常不敏感，很符合汽车上的要求，因此在车辆非接触式的检测手段中有广泛的应用。

由于新能源车的兴起，带来了车辆更复杂的电磁环境，各大车企将原先的磁场干扰实验标准从原来的1000A/m提高到了4000A/m，意味着磁性位移传感器面临更严苛的磁场干扰要求。

部分传感器供应商开发出了差分式的二维或三维霍尔传感器，利用临近的多组霍尔单元求磁场分量的差分，再用差分值的比值来计算位置。两组相邻的霍尔单元分别探测两个磁场分量，得到Bx1，Bz1和Bx2，Bz2。求差分得到Bx1-Bx2＝ΔBx和Bz1-Bz2＝ΔBz。再根据α＝arctan(ΔBz/ΔBx)计算位置。差分的方式虽然解决了磁场干扰的问题，但也带来了新的问题，即原始的磁场使用了差分计算后，得到的磁场角度与差分前的结果差异较大，因此大部分传统的磁场源设计不能满足使用要求。

图2示出了踏板线性移动对应的输出信号的要求，前半段为线性区，信号与踏板位置呈线性对应关系，踏板位置绝大部分时间处于线性区；后半段为饱和区，信号保持固定值，不再与踏板位置线性相关，踏板极少数情况会移动到该区域。根据磁场源设计常识，磁铁的长度与测试的行程直接相关，行程越长，磁铁越长。通常磁铁长度与行程接近。而磁铁长度越长，成本越高，为了解决上述技术问题，在现有的技术中，采用与线性区接近的磁铁长度作为移动磁场源，但是经过计算后的前半段的磁场角度与输出信号一致，但由于磁铁较短，后半段的磁场角度发生了跳变，无法实现后半段的饱和输出。如图3和4所示。

公开的欧洲专利说明EP 2820384 B1和德国专利说明DE 102019112572 A1都采用了结合磁场强度的方式来解决后半段的问题。当处于线性区时，磁场强度大于设定值，输出与磁场角度相关联的信号，当处于饱和区时，磁场强度小于设定值，输出预设好的固定值。

虽然结合磁场强度能解决后半段的问题，但是需要位移传感器采集原始的磁场分量，再计算对应的磁场角度和磁场强度，通过逻辑判断得到最终的结果。而由于市面上通用的二维或三维霍尔芯片都不具备这样的功能，因此需要额外增加微处理单元或定制专门的芯片，增加了成本。

发明内容

本发明提供了一种结构简单，成本低，体积小，精度高，不需要辅助的处理单元和辅助措施的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置；解决了现有技术中存在的非接触式的检测装置结构复杂，成本高，磁铁长度大，精度不够，容易受到磁场干扰影响的技术问题。

本发明的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，包括一个移动磁场源，移动磁场源与踏板相连，在移动磁场源的一侧设有静止磁场源和一个位移传感器，其中移动磁场源相对于位移传感器可移动，静止磁场源相对于位移传感器不可移动，位移传感器具有至少两组霍尔单元。

移动磁场源与静止磁场源产生的磁场分量叠加后，经过位移传感器的差分计算，得到的磁场分量如图5，再根据公式α＝arctan(ΔBz/ΔBx)计算对应的磁场角度，如图6。在前半段，磁场角度与位移始终呈一一对应关系，通过市面上通用芯片的线性化标定功能，可以得到线性的输出信号；而后半段，磁场角度始终高于钳位角度，而低于360°，通过通用芯片的钳位设置功能，可以使信号保持固定的钳位输出值，如图7所示。

作为优选，所述的移动磁场源包括至少一个永磁体。

作为优选，所述的静止磁场源包括至少一个永磁体。

作为优选，所述的静止磁场源与移动磁场源为相同的磁铁材料。本发明由于使用了与移动磁场源同等材料的磁铁设计的静止磁场源来调整磁场分量，因此具有同样的温度系数，温度变化引起的磁场强度变化保持同比例的增减。如之前的说明，磁场角度是以两个磁场分量的比值计算得到，因此磁场角度在温度变化下基本保持不变，与使用磁场强度的方法相比，精度高很多。

作为优选，所述的静止磁场源为圆柱形磁铁，静止磁场源的轴线方向与移动磁场源的位移方向平行，静止磁场源沿轴向方向充磁，传感器位于静止磁场源的轴线方向上，传感器内的霍尔单元沿轴线方向布置。

作为优选，所述的静止磁场源与位移传感器内较近的霍尔单元的距离为x，静止磁场源与较远的霍尔单元的距离为x+Δx，其中Δx为两组霍尔单元间的距离，静止磁场源的磁场产生的差分信号为ΔBxj，ΔBxj＝Bx(x)-Bx(x+Δx)，而其中Br为静止磁场源的磁铁的剩磁，由磁铁材料决定，L为磁铁的长度，R为磁铁的半径，其中ΔBxj根据磁场强度和磁场角度α通过仿真曲线确定。

利用一个很小的磁铁固定在芯片附近，选取合适的距离和尺寸，对两组霍尔单元产生一定的磁场差，改变原始磁场，从而使差分后的磁场分量(ΔBx)发生改变，得到新的磁场角度，通过芯片标定可以得到最终的输出。

而静止磁场源的磁铁尺寸可以根据上面的计算公式通过仿真曲线，获得最优的尺寸值，降低成本，又保证精度。

作为优选，所述的位移传感器具有两组霍尔单元，霍尔单元得到的位移方向的磁场分量为Bx1，Bx2和距离方向的磁场分量Bz1，Bz2，求差分得到Bx1-Bx2＝ΔBx和Bz1-Bz2＝ΔBz；静止磁场源的磁场产生的差分信号为ΔBxj，则最终的磁场角度可以通过α＝arctan(ΔBz/(ΔBx+ΔBxj))获得，由磁场角度获得传感器的输出信号。由于本发明始终使用磁场角度来获得最终的输出信号，使用市面上常用的二维或三维霍尔芯片即能实现，不需要额外的处理电路，成本低很多。

确定静止磁场源的设计前，首先要确认静止磁场源的磁场需要达到的效果。为了尽量降低设计的复杂性，首选只调整ΔBx，而不改变ΔBz，即静止磁场源的磁场的方向与位移方向平行。根据仿真图像，粗略确定ΔBxj的范围。然后再根据磁场强度的计算公式，获得对应的磁场强度的分布，根据仿真曲线，保证区域内的磁场强度在10mT以上时，进一步确定ΔBxj的范围，最后根据磁场角度α的上余量和下余量，以选择最优的ΔBxj值。

确定了ΔBxj值后，再根据芯片内的霍尔单元的磁场分量来选择最优的静止磁场源与霍尔单元的距离，从而最后确定最优的静止磁场源的磁铁的尺寸，保证体积最小而精度高，保证得到的磁场输出达到理想效果。

因此，本发明的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置具备下述优点：结构简单，增加一个静止磁场源，让输出曲线的后半段满足要求，成本低，体积小，精度高，满足安装使用需求。

附图说明

图1是一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置的示意图；

图2示出了踏板位置与输出信号的对应关系；

图3示出了移动磁场源产生的两个方向的磁场分量的差分结果；

图4示出了位移传感器根据移动磁场源的磁场分量计算得到的磁场角度；

图5示出了移动磁场源和静止磁场源产生的两个方向的叠加磁场分量的差分结果；

图6示出了位移传感器根据移动磁场源和静止磁场源产生的叠加磁场分量计算得到的磁场角度；

图7示出了根据磁场角度得到输出信号的对应关系；

图8示出了不同的调整值ΔBxj对应的调整后磁场角度的曲线；

图9示出了不同的调整值ΔBxj对应的调整后磁场强度的曲线；

图10示出了满足条件的磁铁长度L和磁铁半径R以及磁铁体积V的对应关系。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，移动磁场源3通过推杆或弹簧等连接装置与踏板2等被检测机构相连，能够随着踏板2沿方向9线性移动。位置传感器5安装在固定位置，与移动磁场源3保持一定的距离，感应移动磁场源3产生的磁场6。

位移传感器5采用差分方式，传感器芯片内两组相邻的霍尔单元分别探测移动磁场源产生的磁场6，得到位移方向的磁场分量Bx1，Bx2和距离方向的磁场分量Bz1，Bz2。求差分得到Bx1-Bx2＝ΔBx和Bz1-Bz2＝ΔBz。再根据α＝arctan(ΔBz/ΔBx)计算位置。

结合图2所示的输出信号曲线，根据前半段线性区域，选择比之略长的移动磁场源3的长度，使磁场6经过位移传感器5的差分计算后，得到图3的磁场分量和图4的磁场角度。

图3和图4的磁场角度图并不能满足现有的要求，前半段可通过芯片标定实现线性输出，后半段磁场角度跳变，无法保证正常的饱和输出。

因此为了获得最终需要的如图5的磁场分量和图6的磁场角度，需要放置一个小尺寸的静止磁场源4，使其产生的磁场7与原始的磁场6叠加，改变原始的磁场，以获得最终的效果。

确定静止磁场源4的设计前，首先要确认静止磁场源4产生的磁场7需要达到的效果。为了尽量降低设计的复杂性，首选只调整ΔBx，而不改变ΔBz，即磁场7的方向与踏板2的位移方向9平行。假设磁场7产生的差分信号为ΔBxj，则最终的磁场角度α＝arctan(ΔBz/(ΔBx+ΔBxj))。

根据以上公式，以ΔBxj为参考变量，获得对应的磁场角度α的分布，如图8所示。由图可粗略确定ΔBxj的范围，当ΔBxj为负值时，磁场角度α越来越偏离目标曲线，而当ΔBxj大于1mT时，磁场角度α越来越接近目标曲线，因此可以确认ΔBxj需要选择的范围为1mT以上。

如已经提到的，二维或三维霍尔传感器利用两个磁场分量的比值来计算磁场角度，温度变化引起的磁场强度的变化是等比例的，可以被抵消掉。而且本发明也不需要使用磁场强度来作为计算的因素。然而，传感器使用的芯片采集两个磁场分量时，由于集成电路固有的属性，采样通道会引入噪声，且采样的偏置值也会受温度影响，因此磁场强度越强，传感器芯片带来的误差也会越小。通常芯片建议的磁场强度为10mT，会有比较好的噪声和温漂表现。

因此磁场强度仍有意义。根据磁场强度的计算公式|B|＝SQRT{(ΔBx+ΔBxj)2+ΔBz2}，以ΔBxj为参考变量，获得对应的磁场强度|B|的分布，如图9所示。因为只对前半段的线性区域有精度要求，因此只考量该区域的磁场强度。根据图中所示结果，只有ΔBxj在2mT～4mT之间时，才能保证区域内的磁场强度始终在10mT以上。

如已经提到的，图6中的后半段，磁场角度α要始终高于钳位角度，而低于360°。为了保证各种因素引起的角度变化，都能让磁场角度α始终保持这种特性，需要让磁场角度α距离360°(上余量)和钳位角度(下余量)都有足够的余量。

同样以ΔBxj为参考变量，计算ΔBxj在2mT～4mT之间时，磁场角度α的上余量和下余量，以选择最优的ΔBxj值。

获得需要的调整值后，可开始设计静止磁场源4，使其能产生所需的磁场7。

如已经提到的，磁场7的方向与位移方向平行，因此可将静止磁场源4设计成圆柱形磁铁，轴线方向与位移方向平行，磁铁沿轴线方向充磁，即可产生与位移方向平行的磁场7。

传感器芯片内相邻的两组霍尔单元也沿静止磁场源4轴线方向排布，一个离得略近，一个离得略远，感应到大小不同的磁场，经过差分计算，即可得到所需的ΔBxj。

离静止磁场源4表面距离x处的磁场可由以下公式获得，其中Br为磁铁的剩磁，由磁铁材料决定。L为磁铁的长度，R为磁铁的半径。

定义传感器芯片内较近的霍尔单元离磁铁的距离为x，则较远的霍尔单元的距离为x+Δx，其中Δx为两组霍尔单元间的距离，对同一家厂商生产的芯片而言，是一个固定值。

因此最终的ΔBxj＝Bx(x)-Bx(x+Δx)，所有的影响参数中，Br和Δx是固定值，L，R，x是变量，即静止磁场源4选用的磁铁厚度，半径及其与传感器芯片的距离，都会影响最终的ΔBxj。

由于有3个变量影响最终结果，会有很多种组合。根据以上公式可知，对于某一固定的磁铁尺寸L，R，距离x最小，磁场Bx(x)越大。因此对于已经确定的所需磁场而言，距离x越小，所需的磁铁尺寸也越小，对应磁铁的成本也就越低。

基于以上考虑，设计上应尽量使静止磁场源4靠近传感器芯片，以实现用最小的磁铁成本实现功能，当然受传感器芯片位置，电路板尺寸，磁铁安装方式等结构上的影响，静止磁场源4不可能无限靠近芯片，只能综合考虑选择一个合理的最小距离x。

当确定了x之后，只剩下L，R两个变量，可通过解方程式得到L和R的对应关系曲线。假设确定距离x为5mm，则可计算得到L和R的关系曲线，同时可以得到对应的磁铁体积V的曲线，如图10所示。

图中所示的L和R的组合都可以满足要求，而在L＝0.8mm，R＝1.5mm的组合时，磁铁的体积最小，即成本最优，因此是最佳组合。

基于以上分析和计算，最终可确认静止磁场源4的磁铁尺寸设计和放置位置，以实现最终的目的。

如案例中的说明，原本40mm多的位移测量，通常也需要约40mm长的磁铁配合使用，而本发明只需使用不到30mm长的磁铁，配合一个0.8mm长，半径1.5mm的小磁铁，节约了30％以上的磁铁长度和成本，对于检测装置的小型化和低成本化都具有重要的现实意义。

Claims (6)

1.一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：包括一个移动磁场源，移动磁场源与踏板相连，在移动磁场源的一侧设有静止磁场源和一个位移传感器，其中移动磁场源相对于位移传感器可移动，静止磁场源相对于位移传感器不可移动，位移传感器具有至少两组霍尔单元，

所述的静止磁场源与位移传感器内较近的霍尔单元的距离为x，静止磁场源与较远的霍尔单元的距离为x+Δx，其中Δx为两组霍尔单元间的距离，静止磁场源的磁场产生的差分信号为ΔBxj，ΔBxj＝Bx(x)-Bx(x+Δx)，而其中Br为静止磁场源的磁铁的剩磁，由磁铁材料决定，L为磁铁的长度，R为磁铁的半径，其中ΔBxj根据磁场强度和磁场角度α通过仿真曲线确定；

以ΔBxj为参考变量，计算ΔBxj在2mT～4mT之间时磁场角度α的上余量和下余量，以选择最优的ΔBxj值；

获得需要的调整值后，可开始设计静止磁场源，使其能产生所需的磁场；

影响ΔBxj参数中，Br和Δx是固定值，L，R，x是变量，即静止磁场源选用的磁铁长度，半径及其与传感器芯片的距离，都会影响最终的ΔBxj；

当确定了x之后，只剩下L，R两个变量，可通过解方程式得到L和R的对应关系曲线，确定距离x后，则可计算得到L和R的关系曲线，同时可以得到对应的磁铁体积V的曲线，得到磁铁体积最小，成本最优的磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：所述的移动磁场源包括至少一个永磁体。

3.根据权利要求1所述的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：所述的静止磁场源包括至少一个永磁体。

4.根据权利要求1所述的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：所述的静止磁场源与移动磁场源为相同的磁铁材料。

5.根据权利要求1所述的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：所述的静止磁场源为圆柱形磁铁，静止磁场源的轴线方向与移动磁场源的位移方向平行，静止磁场源沿轴向方向充磁，传感器位于静止磁场源的轴线方向上，传感器内的霍尔单元沿轴线方向布置。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种抗磁场干扰的非接触式踏板位置的检测装置，其特征在于：所述的位移传感器具有两组霍尔单元，霍尔单元得到的位移方向的磁场分量为Bx1，Bx2和距离方向的磁场分量Bz1，Bz2，求差分得到Bx1-Bx2＝ΔBx和Bz1-Bz2＝ΔBz；

静止磁场源的磁场产生的差分信号为ΔBxj，则最终的磁场角度可以通过α＝arctan(ΔBz/(ΔBx+ΔBxj))获得，由磁场角度获得传感器的输出信号。