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ABS系统用轮速传感器 AD22157摘要：AD22157^ AD公司生产的一种基于霍尔效应的传感器，可作 为车速传感器应用于汽车的ABS系统中它具有较大的测速范围和较宽的使用 温度范围，并且采用二线制电流操作，使用方便；还具有气隙诊断和反向电压 保护功能文中介绍了 AD22157的内部结构及其工作原理，并对其误差源作了 简要的说明关键词：霍尔效应；差模信号；误差源；调制； AD22157 1 概述A D 2 2 1 5 7 是一 种混合信号磁场转换器， 它具有很大的测速范围 （0〜2500Hz）和 较宽的操作温度范围（一 4 0〜1 5 0 C）,同时 具有二线制电流操作、气 隙诊断和反向电压保护 （—3 0 V）等一系列特 性它可在较大的车速范 围内对汽车铁磁性目标轮 进行车速与转动方向的测 量止匕外，还可在传送系 统作传输速度的测量、接 近测量、位移测量等AD 2 2 1 5 7的结构框图如图1所示2 A D 2 2 1 5 7的主要特性AD 2 2 1 5 7采用二线制电流回路操作方式，适于在—4 0〜15 0c 的温度范围、+2 0V直流供电情况下持续工作，且在瞬时电压高达+2 7 V 时仍能维持正常工作。

AD 2 2 1 5 7轮速传感器的输出电流脉冲为7mA或1 4mA （静止偏 置值为7 mA） 该传感器的输出电流脉冲的上升沿可准确定位于目标轮的轮毂输出脉冲宽度则可由目标轮的运动方向和磁场强度来决定，并可按照主流 系统制造商所推荐的现行工业标准编码为一组根据目标轮的运动方向和磁场强 度预先定义的时间问隔它的脉冲宽度可根据所测量的差模磁场强度的不同而有所不同： A B > 4 mT （正常磁场）、2mT< A B< 4 mT （低磁范围）、 AB<2mT （极 低磁范围）三种不同磁场中具有不同的宽度输出另外，在正常和低磁情况下，它还可提供车轮转动方向的测量在不同磁场强度范围下，其输出脉冲宽度的情况如图2所示在初始上电、目标轮停止或其它原因造成检测不到动态信号时，一个安全 停止的失败信号就会以大约1.5Hz的频率重复产生AD 2 2 1 5 7传感器内部集成有霍尔单元，并有相应的电路来减小霍尔 器件参数的温漂，在与SmC磁铁搭配使用时，该器件的补偿效果最佳该 结构充分发挥了CMO S电路线性度高和DMO S电路电压高的优点，因而能 够使传感器在要求的环境下准确工作AD 2 2 1 5 7还包括一个适应性的差模过零检测器，它能准确地检测出 目标轮轮毂的位置。

此结构减 小了由于封装和温度对霍尔传 感器阵列所造成的、使其输出 脉冲的上升沿与上升沿之间时 问间隔存在2 %偏差的影响为保证测量的精确度，A D 2 2 1 5 7舍弃了每次上电 时或停止时的4个脉冲沿它 采用数字信号处理技术来增强 功能，同时可减少在E M C极限条件下可能产生的伪脉冲或脉冲丢失现象AD 2 2 1 5 7采用单列5脚（SIP）的封装形式，十分适合于作为车速传感器使用，它可方便地与一个安放在其后的偏置磁铁进行装配 AD2 21 5 7的封装形式如图3所示AD 2 2 1 5 7的主要极限参数如下：最大电源电压：+ 2 7 V;最大输出电流（管脚2） : 18mA;工作温度范围：—4 0〜1 5 0 C ；片芯最高温度：19 0C3 原理与应用AD 2 2 1 5 7轮速传感器实际上是一个二线制电流调制传送器，它可根 据磁场在空间的差模变化产生相应的电流脉冲在其应用于轮速传感器时，它 所探测到的磁场是一个放置于其后面的永久磁铁和位于传感器前端、目标轮上 的铁制凹槽标记相互作用产生的在这种条件下，传感器必须抵消恒定的磁场 偏置，并放大差模调制磁场，从而准确判断目标轮的转动情况。

3. 2信号检测原理AD 2 2 1 5 7轮速传感器采用集成在硅衬底上的霍尔片结构来对磁场进 行空间差模测量，从而抵消了偏置磁场的影响此霍尔结构由直线排列的三组 霍尔单元构成，可用于一些不窄于5 mm的锯齿或凹槽输出对应的正交信号每组霍尔单元都由4个独立的、直径为2 0 0 pm、排列成空间十字形的 霍尔片并联构成（如图4所示） 此排列方式有利于 减轻使用时逐渐增 加的倾斜度对霍尔 信号电压造成的影 响霍尔阵列由三 组匹配的电流源供 电，在此电流下的 灵敏度为5 pV/ Gauss三组 霍尔效应传感器可分为两组，并分别与仪器放大器相连，中间的霍尔片同时与两个放大器相连这种结构可使两组空间差模磁场信号转变为电信号，其峰一 峰值与差模磁场信号和霍尔片偏置电流成正比因此，如果霍尔阵列与车轮斜度相匹配，那么，AD 2 2 1 5 7中的空间 差模阵列所测得的霍尔信号将按正弦规律变化3. 3信号调制前的误差源霍尔传感器除了可以产生所需的空间差模信号外，通常还会产生以下几种 误差：(1 )得到补偿的磁场偏置该误差源主要来源于霍尔片灵敏度的不匹 配、霍尔片偏置电流的不匹配以及穿过偏置磁铁表面的磁通密度发生变化等因 素。

2)霍尔片固有失调这种情况源于霍尔片接触面不平造成的未对准、 生产厂商要求的霍尔片扩散的公差不一致、以及封装的机械压力所引起的局部 平坦度变化等3 )霍尔单元受温度灵敏度的影响这种影响大约为4 5 0〜± 1 5 0 p p m / ℃ o(4 )受温度影响的电路结构所产生的失调通常该装置对于前级放大器 输出的总体影响在几百mV的数量级上，并且会随温度朝正或负方向变化几十 m V o从电路角度考虑，该放大器会进一步造成信号的输入失调，但这一失调分 量一般少于1 m V ,通常在几 百NV的量级3. 4信号调整信号调整的作用是补偿失 调误差，并准确判断差模信号 的过零点(差模信号是由霍尔 单元产生的相互正交的正弦信 号，产生的正弦信号的频率由 目标轮的转速决定)它们之 问的关系如图5所示其正交 信号之间的相位关系可用于判 断车轮旋转的方向该装置的信号调整采用了两个单独的测量通道第一通道用于检测过零点 信息，并提供边沿信息的主信号源第二通道仅对信号相位作比较，以提取转动方向的信息每个通道都包含2个极值采样/保持电路和一个1 0位模/数 转换器每个通道都使用由两个A/D转换器构成的采样/保持电路来对各自的信 号进行极值检测。

其中一个采样/保持电路检测峰值，另一个是检测谷值D A C的电压输出反映了任意时刻信号的峰一峰值这个电压的中间值可作为P WM中的过零检测器的参考值此结构可保证在任何操作条件下都可检测出1 k H z信号(上升沿至上升沿)土 2 %的相位抖动通道1还给出了被测信号的峰一峰值，此结果可用于测量与空气隙直接相 关的磁场强度或用于空气隙诊断，同时可结合通道2的方向信息计算PWM中 的输出脉冲宽度由于空气气隙设置值不同，或车轮跑偏造成空气气隙发生动态变化时，霍 尔信号的输出峰一峰值也会相应发生改变因此，用一个固定分辨率的1 1级 转换器可能不能保证信号峰值的采样精度鉴于这种情况，在用1 1级转换器 无法跟踪信号时，应对转换器的精度进行相应调整3. 5霍尔片偏置霍尔单元的偏置值设置应使AD 2 2 1 5 7的灵敏度温度系数与稀有磁性 材料的灵敏度温度系数大小相等而极性相反例如，可选SmCo=—4 5 0 p p m/℃ 或者 Al n i co5 — 7=—3 00ppm/℃,这样就会使 P W M的输出值保持良好的稳定性当接收到上电复位信号、停止信号或者无磁场时，每个通道的采样/保持 电路都将分别复位到它们的最大和最小电压值，然后再向内跟踪直到检测到霍 尔信号。

即通道1 (S/H max)向霍尔信号最大值增加，通道1 (S/H min)向最小值减小，图6给出了上电、停止域无磁场时的信号跟踪曲线为确保得到霍尔信号的峰值，开始的四个过零事件一般不引起信号输出复位后的第三个过零信号之前也不执行采集操作模式随着D A C信号开始跟 踪霍尔信号的峰值，系统将在四个过零事件之后，使转换器进入变化模式，此 操作模式将使D A C电压追踪并保持霍尔信号的峰值，从而为车轮跑偏和失调 等情况保持一个有效的过零点3. 7 PWM过程和输出过程脉宽调制器(PWM)完成信号调制的最后一步是将霍尔信号的过零点信 息、信号幅值、车轮转动方向等信息转换为一位脉宽调制信号脉宽的第一个 边沿由通道1的过零事件决定脉冲宽度由方向和信号幅值决定，如图6所 示所有信号调制事件都是与内部时钟同步的，异步的过零点事件将被排列 至下一个时钟沿，而这将导致最大延迟时间为1 . 4 仙s输出脉冲宽度由1 9位计数器调制，该计数器既可作为脉冲宽度调制器，又可作为一个看门狗定 时器计数器时序如下：(1 )计数器收到一个过零事件后复位；(2 )延时4 5仙s后输出脉冲的上升沿；(3)幅度阈值和方向被解码，并输出合适宽度的脉冲信号；(4)计数器复位；(5 )若在计数器溢出前7 4 5仙s未接收到过零信号，将输出1个停止 脉冲。

跟踪器复位是为了保证当无过零事件发生时，失调校正电路仍能工作，但 在无过零事件发生时间过长时，失调校正对于由温度产生的漂移将不起作用AD 2 2 1 5 7传感器根据输入的脉冲可将输出电流调制成7mA或1 4 mA两个电流值其中7 m A的电流值代表静止状态或逻辑零状态。