1 應用簡報

引言

隨著汽車行業在車輛電氣化、自動化和連接性方面不斷取得進步，傳統的機械車輛控制系統現在正在被電子實現所取代。這些線控 系統可以實現更精確的操控、更簡單的維護以及通過對車輛控制裝置進行數字控制操作而增強的安全功能。電子控制模塊還為車內布置和系統本身的設計提供了更大的靈活性。

例如，傳統的換檔器依賴于與變速箱的機械連接，并且必須靠近車輛的變速器。線控換檔系統捕獲來自駕駛員的輸入，以使用執行器遠程換檔。因此，換擋器可以由轉盤、按鈕或轉向柱模塊代替，其樣式與傳統的轉向燈或雨刮器控制裝置類似。

磁性位置傳感器提供了一種日益流行的方法，可消除機械接觸點、減小整體設計尺寸，并提供診斷功能和其他可提高安全性的集成功能。

包括轉向燈、雨刮器、前照燈和柱式換擋器控制裝置的轉向柱模塊受益于線控模塊提供的機械簡化和系統診斷功能。

圖 1 轉向柱控制模塊

消除機械接觸

過去，轉向柱控制裝置（如控制桿、旋鈕和操縱桿）都是使用機電部件實現的。在大多數情況下，這些控制裝置均由小壓力開關或電位器進行監控。

圖 2 常見機械故障點

但是，這兩種機械部件存在一個明顯的缺點，那就是磨損。隨著時間的推移，由于機械磨損、氧化或聚集其他表面污染物（如灰塵或污垢），開關沖擊板的電觸頭或電位器的抽頭容易退化。隨著機械觸點的質量下降，控制的可靠性會成為一個重要問題，尤其是在汽車控制中。假設前照燈、雨刮器或轉向燈控制裝置出現故障。這些功能中的任何一項出現故障都可能會給用戶帶來重大的安全風險。

磁感應消除了系統中的機械故障點。磁場能夠穿透非鐵磁材料，這使得磁體和傳感器可以自由移動并且不受污染物的影響。

圖 3 非接觸式位置測量

例如，TMAG5170-Q1（如非接觸式位置測量 所示）無需進行任何物理接觸，即可跟蹤傳感器上方徑向旋轉磁體的角度位置。這種類型的配置可用于替換控制系統中的各種旋鈕和撥盤。

充分減小設計尺寸

汽車控制中的另一個重要問題是監控大量機械開關所需的總體設計尺寸。對于由通用輸入/輸出 (GPIO) 監控的每個開關，可能需要大量的外設電路，才能實現穩健的位置跟蹤。在提供 100 個或更多開關的高級系統中，這會導致龐大的 PCB 設計。

下面以控制車前燈的轉向燈控制裝置（如多功能位置檢測所示）為例來進行說明。

控制桿必須能夠觸發至少九個分立式位置，以操作遠光燈、超車閃光燈和轉向燈。此外，通常會在軸的末端添加一個旋鈕，以便在關閉、駐車燈和標準前照燈設置之間進行選擇。

所有這些位置都可以通過多個電阻式接觸板和壓力開關來實現。這些組件每個都需要偏置電路和 GPIO 控制。在電子元件可用空間有限的固定裝置中，應使用能夠檢測多種設置的磁性位置傳感器。

圖 4 多功能位置檢測

在此示例中，只需使用兩個 TMAG5170-Q1 傳感器即可實現所有功能。該器件是一款 3D 線性霍爾效應傳感器，可對其進行編程以檢測附近永磁體產生的任何 B 場矢量分量。例如，軸向圓柱磁體可以放置在組件內，使傳感器與空檔位置對齊。在這里，磁場完全朝向傳感器的 Z 方向。當指示軸移動到不同位置時，X 和 Y 場分量可用于計算運動方向和行進距離。

圖 5 操縱桿運動

第二個傳感器方便地放置在軸的末端，并與前照燈撥盤控制裝置中的旋轉磁體同軸放置，如 多功能位置檢測所示。徑向圓柱磁體的旋轉軸直接放置在傳感器上方。使用之前非接觸式位置測量中所示的磁體方向時，可以根據磁場的 X 和 Y 分量的角度輕松檢測每個前照燈設置。

TMAG5170-Q1 通過串行外設接口 (SPI) 進行通信，并且兩個傳感器輸出必須由主機微控制器定期讀取。傳感器可以共用同一 SPI 總線，但需要單獨的芯片選擇輸入。由于通過單個控制器讀取兩個傳感器的輸出，總設計尺寸可以非常小。

圖 6 簡化版方框圖

診斷和功能安全

在設計汽車控制時，安全問題是另一個關鍵問題。與分立式機械實現相比，磁性位置傳感器由于內置安全機制、冗余功能和功能安全特性，因此可以降低操作風險并提高系統可靠性。這些傳感器不僅可以監控系統性能的異常行為，以防止系統故障，而且還有助于減少因模塊發生故障行為（器件損壞或接線故障）而可能導致的危險。

TMAG5170-Q1 包含多種診斷功能來檢測和報告系統級和器件級故障。該器件會監控多個參數，包括溫度、磁性組件完整性、電源完整性和通信完整性。該器件還會執行自診斷，以監控傳感器本身的精度和性能。而機械部件不提供任何系統級或器件級診斷檢查。需要額外的電路來檢測元件級故障或監控壓力開關和電位器等分立式設計的性能下降。這種補充電路會增加整個系統的成本和復雜性。

在安全問題日益受到關注的情況下，通常需要使用冗余傳感器來達到最高的安全等級。對于存在這種問題的應用，有必要考慮使用 TMAG5170D-Q1。此器件在單個封裝中包含兩個獨立運行的芯片。傳感器垂直堆疊，且檢測元件緊密對齊。這種形式減少了由于并排放置芯片或使用兩個分離器件而產生的系統級失配錯誤。

喚醒和睡眠以實現節能

轉向柱內的許多用戶控制裝置還有一個額外的要求，那就是當發動機不運轉時，某些功能必須工作。在這種情況下，系統僅通過電池供電運行，需要最低的電流消耗。TMAG5170-Q1 的另一個特性是，該器件具有集成的喚醒和睡眠功能。在此模式下，傳感器進入低功耗睡眠模式，并定期啟用霍爾效應傳感器以獲取讀數。

增加轉換之間的延遲是大幅降低系統電流要求的另一種方法。TMAG5170-Q1 的喚醒和睡眠模式以 1ms、5ms、10ms、15ms、20ms、30ms、100ms、500ms 和 1000ms 的間隔運行。對于雙通道配置，單個 TMAG5170-Q1 傳感器的預期典型電流消耗如表 1 所示。

結論

轉向柱控制模塊在單個控制臂上集成了多種功能，并設計為采用 3D 霍爾效應傳感器，從而消除了不必要的機械觸點，這些觸點往往會隨著時間的推移而磨損，并且需要額外的電路來實現診斷功能。TMAG5173-Q1、TMAG5170-Q1 和 TMAG5273 等器件中集成的功能和診斷功能可提高線控模塊的讀取能力，同時保持非常小的尺寸。

如需更多信息，請參閱以下器件建議和支持文檔。