基于ANSYS仿真的霍尔型车速传感器设计

霍尔型车速传感器设计

二○一四届学生毕业论文（设计） 存档编号：

毕业设计（论文）

论文题目设计

英 文 ：

学 院 ： 专 业 ： 学生姓名： 学 号： 指导教师：

霍尔型车速传感器设计

摘 要

车速测量方式中，可以利用霍尔芯片对齿轮凸起和凹陷部位的变化引起的磁

场变化进行检测，通过计算磁场周期性变化的速率实现对车速的检测功能。通过ANSYS对磁场变化情况进行仿真，可以对霍尔探头检测磁场进行比较好的分析，从而可以实现对测量过程中磁场变化和霍尔芯片输出电平的检测。

关键词：霍尔传感器

ANSYS仿真 车速检测

Abstract

In the method of vehicle speed measurement Hall sensor can detect the magnetic

field changes caused by the transformation of gear's convex and concave. Meanwhile it can achieve the god of speeds detection by calculating the magnetic field changes periodically rate. Through ANSYS simulation of magnetic field changes, we can analysis more better that Hall sensor is detecting magnetic field. Thus, we can realize detection of magnetic field changes and Hall sensor output electrical level in the measurement process.

Keywords: Hall sensor ANSYS simulation speed detection

霍尔型车速传感器设计

目 录

摘 要.......................................................... 1

Abstract ............................................................ 1

目 录.......................................................... 2

第一章 绪论......................................................... 1

1.1车速传感器发展现状........................................... 1

1.2 霍尔传感器测试技术简介 ...................................... 2

1.2.1 霍尔传感器定义和特点................................... 2

1.2.2 霍尔传感器发展趋势..................................... 2

1.3 本文要研究的主要内容..................................... 3

第二章 磁场感应元件分析............................................. 4

2.1霍尔传感器分类............................................... 4

2.2霍尔传感器测速原理........................................... 5

2.2.1霍尔效应简介 ........................................... 5

2.2.2霍尔转速传感器的测速脉冲信号的获得 ..................... 6

2.3 霍尔传感器在车速测量中的电路设计 ............................ 8

2.4 可行性和结果分析 ............................................ 9

第三章 基于ANSYS的齿轮磁场变化分析................................ 10

3.1对齿轮凸起部对准磁铁情况进行Workbench 3D建模分析........... 10

3.1.1 ANSYS Workbench建模 .................................. 10

3.1.2前处理，材料和参数设置 ................................ 12

3.1.3加载边界条件和载荷 .................................... 13

3.1.4求解、输出结果 ........................................ 15

3.1.5后处理、结果分析 ...................................... 16

3.2对齿轮凹陷部对准磁铁情况进行Workbench 3D建模分析........... 17

3.2.1 ANSYS Workbench建模 .................................. 17

3.2.1前处理，材料，求解区域和参数设置 ...................... 17

3.2.2求解结果 .............................................. 20

3.3对两种齿轮状态仿真结果进行对比分析.......................... 22

第四章 电路设计和实现.............................................. 24

4.1 基于霍尔传感器的车速测量装置电路实现 ....................... 24

4.2 元器件选择 ................................................. 24

4.2.1霍尔传感器选择 ........................................ 24

4.3 测速测量装置实现 ........................................... 26

4.3.1 PCB电路如下 .......................................... 26

4.3.2成品展示 .............................................. 27

结 论......................................................... 28

致 谢......................................................... 29

参考文献........................................................... 30

霍尔型车速传感器设计

第一章 绪论

1.1车速传感器发展现状

随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以

解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。

近年来，汽车量迅速增加，车辆安全性已成为人们最关心的问题。因此厂商

也从多方面措施来改善车辆的安全性能，其中电子技术起了很大的作用。随着现代电子技术的发展，车辆电子化的程度越来越高，车辆传感器成为汽车电子控制系统的重要组成部件，也是车辆电子技术领域研究的核心技术之一。传感器必须要经受40℃～150℃的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测车辆运行的有关状态，速度传感器是列车安全行驶的重要设备，它能否稳定工作，将直接影响到车辆的正常运行。

汽车车速传感器设计是一种智能限速装置，利用速度传感器将转变成的电压

信号输送给ECU（Electronic Control Unit），来控制速度，速度达到规定值时切断电路达到限速的目的。

常用速度传感器主要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式、振动式等。

本文介绍了霍尔测速装置的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和测试方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的测速装置相比，此测速器具有结构简单、安装方便，成本低廉的特点。实验证明在整个测速过程内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，同时也提高了测速装置的整体性能。

主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等。主要有发电机式、磁阻式、

霍尔效应式、光学式、振动式等。

霍尔型车速传感器设计

1.2 霍尔传感器测试技术简介

1.2.1 霍尔传感器定义和特点

霍尔效应传感器(开关)在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变速器周

围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。 霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场，因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应象开关一样地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备，而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。

霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不

会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。

同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信

号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。

霍尔转速传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，

并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到100℃。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。

1.2.2 霍尔传感器发展趋势

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的

一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓

霍尔型车速传感器设计

度及载流子迁移率等重要参数。

1.3 本文要研究的主要内容

本文主要研究利用霍尔传感器的测速系统，通过ANSYS电磁场仿真，分析汽

车齿轮和磁场变化，通过霍尔芯片感应变化磁场输出高低信号电平，来对汽车速度进行检测。本文主要分析了齿轮工作时，霍尔芯片感应磁场的变化情况，通过有限元算法，直观清晰的可以看出磁场的变化情况，通过这个，可以分析霍尔芯片测速的可行性和适用范围。

霍尔型车速传感器设计

第二章 磁场感应元件分析

2.1霍尔传感器分类

随着半导体工艺技术的发展，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电

源做在一个芯片上，成为霍尔集成传感器（又称霍尔传感器），为了应用上的需要，尔集成传感器又分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器 开关型霍尔传感器又分为单极霍尔开关，双极霍尔开关和全极霍尔开关，常见的有以下几种类型：

1)单极霍尔传感器

HAL系列：HAL3144，HAL44L，HAL58，HAL202 HAL443A

HAL443F，HAL131，HAL130，HAL543

AH系列：AH44E AH201 AH44L AH543 AH443

用于无触点开关，汽车点火器，刹车电路，位置、转速检测与控制，安全报

警装置，纺织控制系统、水流检测装置、电机测速等

2)双极霍尔传感器

HAL732 177 HAL41F HAL40A HAL512 HAL513 HAL1881 HAL732

AH513 AH413 AH512 AH173 AH175 S41 276 277

用于无触点开关，电机风扇，无刷风机等。

3)线性霍尔传感器

HAL495A HAL496B HAL49E SS495A SS496A A1321LUA A1321EUA AH49E AH3503

用于运动检测器，齿轮传感器，接近检测器，电流电压功率测量，厚度测

量，电动车、汽车调速等。

3)全极性霍尔开关

HAL148 HAL13S HAL149 4913 W131

用于手机、水表、相机、笔记本电脑、手电筒等。

霍尔开关A1104 A04E A3144 为美国ALLEGRO公司产品。

美国HONEYWELL:SS495A SS496A SS496B SS413A SS411

霍尔型车速传感器设计

2.2霍尔传感器测速原理

2.2.1霍尔效应简介

霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关

系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在

材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器,广泛应用于电力系统中。

图2-1霍尔效应（图中电场方向应向下）

对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流Ic固定时，Vh将完全取决于被测的

磁场强度B。

一个霍尔元件一般有三个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输

入端，另一根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

霍尔型车速传感器设计

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B

的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

图2-2 UH IB d

2.2.2霍尔转速传感器的测速脉冲信号的获得

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、

CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。可将工作磁体固定在霍尔器件背面，让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。

通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给

定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往

意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。。

霍尔型车速传感器设计

对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。

测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率

fx = fc/ m0 ,

其中, fc 为时钟脉冲信号频率。

转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变

磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即:

n=N/ (mT) (1)

◆n ———转速、单位:转/ 分钟;

◆N ———采样时间内所计脉冲个数;

◆T———采样时间、单位:分钟;

◆m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N 就是转速n, 即:

n=N/ (mT) =N/60 ×1/60=N (2)

◆通常m 为60。

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节

周期

一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系

统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提

高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。

霍尔型车速传感器设计

2.3 霍尔传感器在车速测量中的电路设计

霍尔传感器电路系统原理图：

图中是测速电路的信号获取部分，H1表示霍尔元件，采用CS3020，在霍尔

元件输出端（引脚

3）与地并联电容C2滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R1，

然后将其接入LM324的引脚3。用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器R2比较得出高低电平信号给单片机读取。C2用于波形整形，以保证获得良好数字信号。Q1为功率放大器，外接负载。用于测速的霍尔传感器输出近似于方波，方波的周期随转速的快慢而变大变小。因此处理电路只需要简单比较即可，不需要加保持电路。

电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示

两个输入电压的大小关系)：

当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；

当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；

比较器还有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信

号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。

图2-3测速电路原理图

霍尔型车速传感器设计

2.4 可行性和结果分析

如上图，测速电路中霍尔元件感应磁场变化，通过3脚输出，滤波后送入电

压比较器，比较，输出1，0 高低电平，通过功率放大器放大，输入到负载中。由于霍尔芯片可以直接输出数字波形，所以电路只是一个比较放大作用。该电路很成熟，通过LTspice模拟仿真，Q1输出波形和H1端输出波形同步，是一个可行的电路。

霍尔型车速传感器设计

第三章 基于ANSYS的齿轮磁场变化分析

本文主要分析静态磁场，研究静态磁场情况下，磁铁，齿轮的变化关系，模

拟霍尔探头表面传感器感应到磁场强度的变化关系。由于ANSYS模型中没有恒定磁性材料，本文选择铜合金（Copper Alloy）施加单方向恒定磁场建立恒定磁场永磁铁模型。齿轮材料选择默认的结构钢（Structure Steel)。

齿轮运动情况可以分为齿轮凸起和凹陷对准磁铁两种情况：

a)齿轮凸起对准磁铁

b)齿轮凹陷部对准磁铁

图3-1

3.1对齿轮凸起部对准磁铁情况进行Workbench 3D建模分析

3.1.1 ANSYS Workbench建模

对磁铁建模:

选择Geometry，进入建模界面。对齿轮进行建模。设置R=20mm。

霍尔型车速传感器设计

图3-2

对齿轮建模:

绘制三角形齿轮，设置齿轮为一等腰三角形，腰长：20mm，底边长20mm与

永磁铁空气间隙为10mm。

图3-3

加入空气模型:

对磁铁和齿轮加入空气模型

图3-4

霍尔型车速传感器设计

3.1.2前处理，材料和参数设置

导入材料参数：

永磁性材料，可以选择钕铁硼，铁氧体等表面磁性较大的材料。默认空气磁

导率为1。钕铁硼类材料，经过充磁机充磁后，表面磁性可以达到几百到几万高斯，如N35牌号一般为850Gs，磁场强度已经足够达到霍尔芯片对磁场的感应范围。

本文中由于ANSYS默认材料库中缺少永磁类材料模型，故以Copper Alloy，

通以恒定方向2A恒定直流，绕线匝数为50匝对永磁类材料进行模拟。在此基础上建立的模型磁铁磁强度可达到80T，可以达到要求。

材料添加入图：

图3-5

划分网格：

利用默认网格划分软件，对永磁铁，齿轮，和空气模型进行网格划分。

霍尔型车速传感器设计

图3-6

3.1.3加载边界条件和载荷

建立局部坐标系：

以磁铁表面为基准，建立局部坐标系MAG，以Z轴为矫顽力方向，既磁场方向。

图3-7

霍尔型车速传感器设计

设置边界条件和求解条件：

图3-8

霍尔型车速传感器设计

3.1.4求解、输出结果

求解磁铁内部磁通密度：

图3-9

整体磁通密度分布：

图3-10

整体磁场强度分布情况：

图

3-11

霍尔型车速传感器设计

3.1.5后处理、结果分析

后处理，对生成结果进行指定范围分析

指定范围内求解磁场强度（magnetic field)：

图3-12

指定范围内求磁通密度：

图3-13

霍尔型车速传感器设计

3.2对齿轮凹陷部对准磁铁情况进行Workbench 3D建模分析

齿轮凹陷部位对准用磁铁情况进行建模，因为凹陷部位离磁铁相对较远，可

以近似成，单个磁铁在空气中所产生的磁场强度既为霍尔芯片感应到的磁场强度。为了使其它条件统一，材料参数，施加恒定电流和电流方向，以及求解面积和绕线匝数等情况都设置成和上一种情况一样。

3.2.1 ANSYS Workbench建模

对齿轮凹陷部位对准用磁铁在空气中情况进行建模。图形如下：

图3-14为空气中的磁铁模型

3.2.1前处理，材料，求解区域和参数设置

同样进行划分网格，在永磁铁表面建立圆柱坐标系操作，定义Z轴方向为矫

顽力，既磁场方向。

霍尔型车速传感器设计

图3-15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8iq4.html