王玉宝
【摘 要】针对汽车技术及制动系统的发展,重点介绍几款带转动方向检测、 安装气隙检测等附加信号的智能轮速传感器(WSS-Wheel Speed Sensor)芯片,并针对其特点分析总结智能轮速传感器(Smart WSS)的发展趋势及应用前景.
【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】6页(P5-10)
【关键词】智能轮速传感器;芯片;方向检测;信号编码协议
【作 者】王玉宝
【作者单位】浙江正泰汽车科技有限公司, 浙江 温州 325025
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.6
转速传感器 （WSS）的主要功能是检测车轮的速度，并将速度信号输入ABS／ESP的控制单元，ABS／ESP控制单元通过对轮速传感器信号的处理得到车辆的速度及各车轮转动速度、状态的信息。
随着汽车电子技术的不断发展以及总线通信技术在车辆上的不断普及，轮速传感器经历了被动传感器、主动传感器、智能传感器的发展阶段。
1 轮速传感器的分类及发展
1.1 电磁式轮速传感器 （被动式轮速传感器）
轮速传感器最早的产品为利用电磁感应原理的磁电式轮速传感器，主要结构见图1。
虽然电磁式轮速传感器具有结构简单、成本低的特点，但由于其较差的低速检出性、频率特性和抗干扰性，以及较大的产品体积与铁磁体目标齿轮一起的结构构成，增大了车辆轮
毂单元体积，并增加了结构质量。随着装配霍尔元件／磁阻元件的主动式轮速传感器大量应用而带来的成本上的降低，电磁式轮速传感器已经淡出乘用车应用领域，目前基本上只在商用车ABS系统中保持应用。比速汽车是哪个公司
1.2 霍尔／磁阻式轮速传感器 （主动式轮速传感器）
主动式轮速传感器主要通过芯片内的霍尔元件／磁阻元件，利用车轮带动铁磁体目标齿轮 （或磁轮）在轮速传感器头部附近转动并产生磁通量的交变，通过元件芯片内部的信号处理电路将磁场的变化转换成调制数字脉动电流输出。ABS／ESP系统通过采样电阻将调制数字脉动电流 （轮速传感器领域目前标准值为：IH=14 mA／IL=7 mA）转换为数字电压脉冲信号，从而得到轮速数值。霍尔元件／磁阻元件的工作原理 （铁氧体目标轮）、调制电流输出分别如图2、图3所示。
图1 电磁式轮速传感器结构示意
图2 霍尔／磁阻元件工作图示
图3 主动式轮速传感器电流调制输出图示
主动式轮速传感器以其优良的频率响应特性、低至0 km的低速检出特性、强大的抗干扰能力，同时可以提供紧凑的轮毂单元结构 （磁环与轮毂轴承整合）以有效降低轮毂单元的质量，已经全面在乘用车领域应用。同时随着乘用车电子技术的不断发展以及系统功能的不断扩展，主动式轮速传感器也在不断发展进步，智能型轮速传感器就是这个发展的一个成果。
2 Smart轮速传感器介绍
普通主动式轮速传感器的输出信号只是一个随着速度变化而产生频率变化的数字脉动调制电流信号 （高电流14 mA、低电流7 mA），它只能给车辆控制系统提供一个基本轮速信号。
随着车辆稳定控制ESP、坡道起步辅助HSA、牵引力控制TCS、电子差速锁、自动泊车系统、自动驾驶系统等一系列高技术性附加系统功能的逐步推广及发展，车轮转动相关的其他信号需求也被生产厂家提了出来，例如车轮转动方向信号的需求。随之，大型主机厂及其传感器供应商与芯片厂商合作开发推出了智能轮速传感器芯片。
智能轮速传感器的芯片目前主要由3家IC厂家在提供，分别是美国的Allegro公司、德国的NXP（恩智浦）、Infineon（英飞凌），而其中以NXP和Infineon的智能芯片在轮速传感器领域应用最为广泛。
3 Smart轮速传感器芯片的分类
3.1 根据芯片工作机理来划分
1）以NXP公司KMI系列为代表的各向异性磁阻效应（AMR）感应芯片。
2）Infineon公司、Allegro公司应用的霍尔效应感应芯片。
3.2 根据芯片输出信号协议不同来划分
3.2.1 根据调制电流脉冲宽度
利用调制电流脉冲宽度表示旋转方向信息，包括Allegro公司的A1698芯片和Infineon公司的TLE-4942芯片。其典型应用电路与普通主动轮速传感器的应用电路一致，只是推荐的负载电阻阻值不同，这一点在芯片应用时要特别注意。而这2个芯片的信息数据定义又分别不同。
下面对这2款芯片分别进行介绍。
3.2.1.1 Allegro公司的A1698芯片
Allegro公司的A1698芯片，芯片采用了乘用车轮速传感器领域通用的标准双线数字电流调制输出接口电路 （高电流14 mA／低电流7 mA），芯片可以提供速度和方向信息、安装气隙警告信息 （P尾缀型号）。2引脚SIP无铅封装。芯片外形见图4。特点：真正的零速检测能力；方向脉宽输出协议；集成 EMC电容器；微型封装；宽引线便于装配；欠压锁定。
图4 A1698封装图示
Allegro公司的A1698芯片，以调制的输出电流脉冲及脉冲宽度提供转动速度及转动方向的信号。芯片内部集成了包含3个霍尔感应元件的信号处理电路和高温陶瓷电容器 （2 200 pF），集成电容器提供了增强的电磁兼容性能。
A1698芯片的调制电流输出规格与目前乘用车领域主动式轮速传感器的输出规格一致，均为低电流7 mA，高电流14 mA，轮速信号的信息以调制电流的脉冲数计算；而转向信号则以电流脉冲的宽度来表示，A1698（-W尾缀型号）在正转时输出调制电流脉冲宽度为90 μs
（标准值），反转时脉冲宽度则为180 μs（标准值）；A1698的推荐使用负载电阻为100 Ω。
A1698利用芯片内部的3个霍尔感应元件在速度测量的同时实现对转动方向的检测。其旋转方向定义、工作原理及输出脉冲时序图示见图5、图6、图7。
图5 A1698的旋转方向定义
Allegro A1698在使用中的注意事项如下。
1）在以A1698为元件的轮速传感器上电启动阶段，依据目标磁轮 （或铁磁体齿轮）的设计、制造误差，以及传感器的安装气隙和目标磁轮 （齿轮）的相位误差，传感器输出的方向信号会存在暂时不正确的现象。
2）在以A1698为元件的轮速传感器正常工作阶段，同样会由于目标磁轮 （或铁磁体齿轮）的设计以及目标磁轮（齿轮）的相位误差影响，会导致传感器输出的方向信号出现短暂不正确的现象。
3）A1698芯片的-P尾缀型号以停止脉冲宽度的形式来提供安装气隙报警信号，45 μs（标准值）。
图6 A1698基本工作原理
图7 A1698输出脉冲电流时序图示说明
3.2.1.2 Infineon公司的TLE-4942芯片
Infineon公司的TLE-4942芯片，芯片也采用了乘用车轮速传感器领域通用的标准双线数字电流调制输出接口电路 （高电流14 mA／低电流7 mA）。芯片可以提供速度和方向信息，具有正常工作状态下的安装气隙诊断功能，相对于Allegro公司的A1698芯片来讲，增加了安装位置诊断功能。2引脚无铅镀锡封装，包装规格为：PGSSO-2-2（TLE4942-1C芯片），其中TLE4942-1C芯片集成了一片1.8 nF贴片电容。包装规格及外观见图8。
图8 TLE4942C芯片封装
芯片特点：双线式电流脉宽调制接口；旋转方向检测功能；气息诊断功能；安装位置诊断
功能；动态自校准原理；单芯片方案；无需外接元件；高灵敏度；南北磁极预感应可能；高阻抗压电效应；宽工作气隙范围；宽工作温度范围。
TLE4942芯片与Allegro公司的A1698芯片工作原理一致，均以调制电流脉冲宽度的形式来表示希望输出的信号内容，但它们的数据定义不同 （EL信号叠加时的脉冲宽度变化），所以应用时无法互相替换，这一点在应用时要特别注意。其推荐负载电阻为75 Ω。TLE4942的输出信号说明如下。
1）气隙范围报警信号 （Warning） 当磁场强度小于临界值 （如霍尔元件与目标轮之间的距离达到临界值时），报警信息通过输出脉冲宽度变化表示，此时传感器将工作在简单功能状态。报警信息只在校准模式时输出。磁场强度范围定义见图9。
图9 TLE4942磁场强度范围定义
2）安装范围报警信号 （EL） 当磁场强度小于预先设定值 （如霍尔元件与目标轮之间的距离超过预先设定值时），EL信息通过输出脉冲宽度变化表示，此时传感器工作于全功能状态。
3）右转信号 （DR-R） 当目标轮在霍尔元件的前部从信号引脚转向电源引脚时，DR-R信息通过输出脉冲宽度变化表示。
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