朱 倩，李晓波，刘学武，邓云飞

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

霍尔传感器是湿式双离合自动变速器 （DCT）控制系统的关键部件。将传感器安装在变速器中，测量变速器运行过程中相关部件的工作状态，并将它们转为自动变速器控制单元 （TCU）可处理的电信号，TCU进而可对相关执行元件进行适时控制。霍尔传感器具有结构简单、体积小、无触点、可靠性高、温度性能好、寿命长、耐冲击等优点［1］，适用于运行环境多变的自动变速器中。齿轮转速信号和拨叉位置信号对湿式DCT的换挡品质和安全性起着极其重要的作用，采用霍尔传感器可以提高信号的稳定性和精度。

1 霍尔传感器原理

1.1 霍尔效应原理

霍尔传感器是一种利用半导体材料霍尔效应［2］进行测量的磁敏式传感器。霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过，此时如有一磁场也作用于该半导体材料上，则垂直于电流方向的半导体两端会产生一个很小的电压，该电压就称为霍尔电压。

霍尔效应原理如图1所示。图1中采用N型半导体薄片，N型半导体的载流子为电子。半导体薄片通以电流I，并垂直施加磁场B，半导体中电子将沿电流相反方向运动，电子在磁场中受到洛伦兹力fL的作用，并发生偏移，使半导体薄板一侧形成电子累积，对应另一侧形成正电荷累积，于是半导体该两侧形成电场E。电子在电场E中受到电场力fE的作用，电场力fE与洛伦兹力fL方向相反，因此，电场E将阻止电子继续向侧面偏转。当电子所受电场力fE与洛伦兹力fL相等时，电子在侧面的累积达到动态平衡，此时，半导体两侧之间建立的电场E为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。

图1 霍尔效应原理

半导体宽度为W，厚度为d，当电子所受电场力fE与洛伦兹力fL相等时有fE=fL，其中fL=qvB、fE=qEH=qUH／W，则

设半导体中电子浓度为n，电流I为I=nqvWd，则电子的平均速率为

其中针对同一半导体薄片，电子电荷量q、电子浓度n、厚度d为定值，若半导体通过的电流I为恒定值，则霍尔电势UH与磁场强度B成正比。

1.2 霍尔传感器工作原理

湿式双离合变速器中的霍尔位置传感器和霍尔转速传感器便是利用霍尔效应原理制成，将位移、转速变化量转化为磁场强度变化量进行测量，磁场强度变化量通过电信号形式传感出来，达到自动测量与控制的目的。

霍尔传感器一般由霍尔片、放大器、电源等组成［3］。霍尔片的作用是根据霍尔效应将磁性大小转换成输出电压值；霍尔片输出的霍尔电压较小，一般在毫伏级，不方便测量，因此通过放大器将霍尔电压放大以满足测量要求

齿轮转速信号和拨叉位置信号对湿式DCT的换挡品质和安全性起着极其重要的作用，而霍尔传感器中霍尔片输出的信号为模拟信号，在搭载DCT的车辆中，模拟信号由传感器输出端传递到TCU输入端过程中，容易受到外界和车辆内部通信系统的各种噪声干扰，使TCU接收到的挡位信号不精准，影响换挡性能。因此，在DCT使用的霍尔传感器芯片中还需添加A／D数据处理器，使传感器输入到TCU的为数字信号，提高转速和位置信号在传递过程中的抗干扰能力和精确度。

2 霍尔位置传感器在湿式DCT上的应用

2.1 霍尔位置传感器在湿式DCT上的布置

霍尔位置传感器在湿式DCT中，主要用来测量拨叉位置信号，通过将拨叉位置信号传递给TCU，并根据驾驶需求，控制各拨叉的移速和移向。某款7速湿式DCT，霍尔位置传感器的布置如图2所示。传感器的外壳和芯片固定在阀板上，1号拨叉、2号拨叉、3号拨叉、4号挡拨叉嵌套在输出轴上的同步器，同步器可以使挡位齿轮带动输出轴同步转动。

图2 霍尔位置传感器布置图

变速器通过控制4个拨叉的位置来实现转速由输入轴传递到输出轴，输入轴的主动齿轮和输出轴从动齿轮的啮合路线实现8个减速比，从而实现7个前进挡和一个倒挡。

2.2 霍尔位置传感器在湿式DCT中测量方式

霍尔位置传感器测量方式如图3所示。拨叉伸出杆下端安装磁铁托架，磁铁托架中对称放置2个小磁铁，2个小磁铁产生的磁场可以对应较长的位置测量，磁铁磁场分布稳定，传感器中集成了霍尔片和相应的数据处理芯片。

如图3a所示，拨叉安装到变速器的初始位置为2个挡位齿轮的中间位置，传感器霍尔片的中心位置对应磁铁中心位置，将初始位置设置为0，TCU控制拨叉在输出轴轴向移动范围为：正向移动0～10 mm、反向移动0～-10 mm，-10 mm和10 mm位置点为拨叉带动同步器与相应挡位齿轮结合点。

如图3b所示，拨叉在轴向移动时，霍尔片处于相对磁铁不同位置，使霍尔片受到的磁场强度不同，根据式 （3），当霍尔片通过稳定的电流I时，根据霍尔片的输出电压UH，可以算出磁场强度，进而换算出霍尔片的位置。

图3 霍尔位置传感器测量方式

2.3 霍尔位置传感器与TCU的匹配

2.3.1 位置传感器输出信号处理方式

霍尔位置传感器由霍尔片、放大器、恒定电源及A／D数据处理器等组成，恒定电源使通过霍尔片的控制电流不变，A／D数据处理器主要将放大后的霍尔电压信号转化为PWM信号，并控制PWM信号是一种频率不变、高电平幅度不变、高电平宽度可变的方波信号。A／D数据处理器将不同的电压值转化为不同占空比的PWM信号，占空比［4］是PWM信号中方波高电平宽度跟周期的比例值，图4表示占空比分别为50%和20%的PWM信号。

图4 不同占空比PWM信号

霍尔片与磁铁的相对位置使拨叉位置与磁场强度呈线性关系，根据式 （3）磁场强度与输出电压呈线性关系，并且传感器A／D数据处理器使输出电压与传感器输出PWM信号的占空比呈线性关系，因此拨叉位置与传感器输出PWM信号的占空比呈线性关系，如图5所示。初始位置0对应占空比50% （图4a），结合点-10 mm和10 mm对应占空比20%（图4b）和80%。位置传感器的输出PWM信号传递给TCU后，TCU通过计算信号占空比，可以获得拨叉当前位置信号，从而控制拨叉的移动状态，位置传感器不断反馈当前拨叉位置信号给TCU，从而确保正确挡位的结合和有效减少挡位结合的冲击力，提高变速器的换挡性能和整车驾驶的安全性。

图5 拨叉位置与PWM信号占空比关系

2.3.2 位置传感器硬件接口电路匹配

位置传感器与TCU的接口一般采用三线电压式，如图6所示。传感器与TCU之间有电源线、信号线、搭铁线3根连接线；传感器输出为电压信号，TCU端通过下拉较大电阻（10 kΩ）和较小电容 （20 nF），组成低通滤波电路，可以消除传感器输出信号中的高频噪声，提高电压信号传递过程的准确性和精度。

位置传感器布置在液压阀板上，实际使用时会浸入变速器油中，且在-40～150℃范围内能正常工作，位置传感器的关键电气性能指标要求如表1所示，根据TCU需求位置信号输出PDM频率可设置为250～1000 Hz，PWM信号的脉冲宽度随拨叉位置变化，传感器可测位置范围需要大于变速器拨叉的移动范围 （-10～10 mm），可设置为 （-12～12 mm）。

图6 位置传感器与TCU接口电路

表1 位置传感器关键电气性能指标

3 霍尔转速传感器在湿式DCT上的应用

3.1 霍尔转速传感器在湿式DCT上布置

在湿式DCT中，发动机的输入转速传递到双离合器，通过结合相应的离合器将转速传递到外输入轴或内输入轴，再通过控制拨叉挂上相应挡位，最终将转速传递到车轮。图7为某7速湿式DCT离合器输出转速传感器的布置，传感器外壳和芯片固定在阀板上，传感器感应面对应外输入轴和内输入轴上固连的感应齿轮。

图7 离合器输出转速传感器布置图

变速器输出转速传感器的布置如图8所示，传感器外壳和芯片固定在壳体上，传感器感应面对应驻车棘轮，发动机转速由离合器传递到变速器输入轴，再传递到输出轴，输出轴传递到差速器，差速器的输出端便将转速传递到车轮，差速器也将转速传递到驻车轴，因此，测量与驻车轴固连的驻车棘轮转速，可以反映变速器输出转速信号。

此外，变速器输入轴只有一个转向，因此离合器输出转速传感器不带方向检测；而变速器输出转速传感器带方向检测，需检测倒挡输出状态。

图8 变速器输出转速传感器布置图

3.2 霍尔转速传感器在湿式DCT中测量方式

3.2.1 转速测量方式

霍尔转速传感器测量方式如图9所示。传感器中霍尔片中心位置对应感应齿轮可测范围中心位置，将永磁铁固定在霍尔片背面中心位置，磁铁可以产生稳定的磁场，磁铁的磁场线穿过霍尔片传递到齿轮，而齿轮材料一般为钢，钢靠近磁铁时会影响磁场分布。

如图9a所示，齿轮的一个齿和霍尔片正相对时，此时穿过霍尔片的磁力线集中，磁场强度较强，霍尔电动势较大；如图9b所示，齿轮的两个齿中间和霍尔元件正对时，此时穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场强度较弱，输出的霍尔电动势较小。因此，在齿轮转动过程中，磁铁在霍尔片上产生的磁场强度发生强弱变化，类似正弦变化曲线，根据式 （3），霍尔片输出电压UH波形也呈正弦变化，该正弦波的一个周期与齿轮的一个齿对应，根据输出波形的周期和齿数可以换算出齿轮转速。

在湿式DCT中，离合器输出转速传感器的测量一般采用差分霍尔传感器［5］。差分霍尔转速传感器使用2个对称布置的霍尔片，2个霍尔片产生的电压相位相反，经差分放大后，不仅使传感器灵敏度大为提升，也可消除2个霍尔片同源的干扰信号，这种差分霍尔传感器适用于干扰信号较多的汽车中。

图9 霍尔转速传感器测量方式

3.2.2 带方向判断转速传感器测量方式

变速器输出转速传感器采用差分霍尔传感器，并带方向检测，需要3个霍尔片进行测量，测量方式如图10所示，霍尔片A和霍尔片B输出差分信号，用于检测转速，即转速信号为ΔUS=UA-UB，霍尔片C的输出用于判断方向，霍尔片C放置在霍尔片A和霍尔片B中间位置，即方向信号为ΔUD=UC-（UA+UB）／2，并且霍尔片C输出信号与霍尔片A或霍尔片B输出信号相位差90°。

图10 带方向转速测量方式

如图10所示，当齿轮顺时针转动时，齿轮中同一齿顶先靠近霍尔片A，再靠近霍尔片C，最后靠近霍尔片B，3块霍尔片信号如图11所示。霍尔片B的输出信号比霍尔片A滞后180°，差分放大处理获得转速信号ΔUS，霍尔片C的输出信号转换为与转速信号ΔUS同偏距的方向信号ΔUD，方向信号ΔUD比转速信号ΔUS滞后90°；同理，当齿轮逆时针转动时，方向信号ΔUD比转速信号ΔUS超前90°，通过判断方向信号ΔUD和转速信号ΔUS信号相位差，即可判断齿轮转向［6］。

图11 3块霍尔片信号变化及处理

3.3 霍尔转速传感器与TCU的匹配

3.3.1 转速传感器输出信号处理方式

对于不带方向检测的离合器输出转速传感器，转速信号ΔUS经A／D数据处理器处理后，传感器输出信号UO是一个频率随正弦波频率变化的方波信号，如图12所示。TCU接收到反馈转速的方波信号UO，根据方波信号的频率和感应齿轮的齿数，可以计算出齿轮的转速，即对应输入轴的转速。

对于带方向检测的变速器输出转速传感器，传感器芯片中还需有相位差判断电路，方向信号ΔUD经相位差判断电路处理确定齿轮的转向，A／D数据处理器将转速信号ΔUS转换为脉冲宽度不变、频率随转速信号变化的脉冲信号，齿轮顺时针和逆时针转动时对应的脉冲宽度不同，输出信号如图13所示。信号输入到TCU时，TCU通过计算脉冲信号的脉冲宽度可以判断齿轮的转向，根据脉冲信号的频率和感应齿轮的齿数，可以计算出齿轮的转速，即对应变速器输出转速。

图12 转速正弦信号转为方波信号

图13 不同转向方波信号

3.3.2 转速传感器硬件接口电路匹配

转速传感器与TCU的接口采用两线电流式，如图14所示［7］。传感器与TCU之间有电源线、信号线2根连接线；传感器输出为电流信号，不同于位置传感器，TCU端通过下拉较小电阻 （可选取150 Ω），将电流信号转化为TCU中单片机可识别的电压信号，下拉较小电容 （可选取1 nF）实现滤波、稳定信号作用。

变速器的工作极限温度为-40～150℃，转速传感器该温度范围内能正常工作，转速传感器关键电气性能指标如表2所示，转速测试范围为0～8500 r／min；传感器的输出信号（低信号6 mA，高信号14 mA），通过下拉电阻150 Ω转化为电压信号 （低信号0.9V，高信号2.1 V）；转速输出信号高信号宽度为60 μs时，可判断齿轮为顺时针转动，转速输出信号高信号宽度为120 μs时，判断齿轮为逆时针转动。

图14 转速传感器与TCU接口电路

表2 转速传感器关键电气性能指标

4 结论

本文根据湿式双离合自动变速器的运行方式和结构特性，结合霍尔传感器的霍尔效应原理，分析了霍尔传感器测量湿式DCT转速和位置等基础信号的工作原理，提出了传感器在变速器中的布置方式和测试方法，同时分析了霍尔传感器与TCU的匹配与应用。本文针对霍尔传感器在湿式DCT上的应用研究，可为湿式DCT的研发提供参考，有助于提高国内自研DCT的使用性能，为湿式双离合自动变速器传感器的应用提供理论基础。