油門控制器是汽車的重要配件之一，它主要由油門踏板、踏板位移傳感器、油門電控單元（ECU） 、數據總線和執行器組成[1]。目前使用的大部分都是電子油門，它通過檢測油門踏板踩下的角度，產生兩組電壓信號傳送給ECU, ECU對該信息和其他系統傳來的數據信息進行運算處理，計算出一個控制信號，通過線路送到伺服電動機繼電器，伺服電動機驅動節氣門執行機構，從而控制車輛的行駛速度。現行的汽車油門踏板所使用的傳感器均采用碳膜接觸式結構，通過觸點在碳膜上滑動來改變阻值，時間久了存在磨損、接觸不良、不回位等安全隱患。而采用MLX90316設計的汽車油門腳踏板除了具有靈敏度高、體積小的優點外，更因其非接觸式測量的特點而具有無磨損、壽命長、抗惡劣環境、結構簡單、安裝方便等優勢，具有廣闊的市場前景。

1 MLX90316芯片介紹
    Melexis公司的MLX90316芯片是一款線性霍爾傳感器[2]，可輸出與芯片表面平行磁場的角度位置信息。該傳感器采用三軸霍爾技術，在芯片上方放置一個圓盤形磁集中器（IMC），將平行作用于芯片表面的磁場集中起來，并在IMC結構的邊緣產生正比于磁場的垂直分量，通過兩對位于IMC下方的相互垂直的平面霍爾元件檢測平行于芯片表面的磁通密度[3]。兩對霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X和Y方向)。這樣兩對霍爾元件輸出的正比于磁場強度的信號(VX和VY)可以將實際角度編碼為兩個相位差為90°的正弦信號（cos和sin信號），VX和VY經多路復用器選通放大，再由ADC轉換為數字信號。芯片內置的 16 位 DSP 對這兩路信號進行采樣和處理，最后的輸出信號可以在0～5 V模擬方式、PWM模式以及串口通信方式（SPI）中選擇，輸出曲線是完全可以編程的（例如，偏移值、增益、鉗位電平等參數都可編程）。其芯片內部結構框圖如圖1所示。

2 MLX90316汽車油門踏板檢測系統硬件設計
    采用MLX90316角度傳感器設計汽車油門踏板檢測系統。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉軸內，替代現在的碳膜結構，硬件工作原理及實物如圖2所示。在芯片上方放置的圓盤形永磁鐵與油門腳踏板連接，當踩下踏板時，驅動圓盤形磁鐵轉動，產生變化的磁場，被MLX90316表面的IMC收集，并在其邊緣產生正比于磁場的垂直分量，由霍爾傳感器檢測。為方便實驗，采用步進電機驅動圓盤形永磁鐵，替代油門腳踏板，以模擬硬件汽車油門腳踏驅動，汽車油門腳踏板檢測系統與控制電路的框圖如圖3所示，軟件功能流程如圖4所示。為了驗證其可行性，使用精密角度傳感器測試儀[4]，利用計算機并口來控制步進電機（步距為0.36°）帶動傳感器的轉軸轉動，即永磁鐵在水平方向上的方位角每步改變0.36°，加在霍爾芯片上的外磁場發生變化，通過霍爾效應使傳感器的輸出電壓發生改變。傳感器的輸出信號送入A/D轉換器ADS774JP[5]，ADS774JP在并口的控制下對傳感器的輸出電壓進行轉換，轉換結果通過并口讀入PC。

3 實驗結果與分析
      由于汽車油門腳踏采用的是雙路輸出模式，因此所制作的傳感器使用的是MLX90316雙芯片版，集成2個傳感芯片。其測試界面如圖5所示，第一路輸出中低電平為0.295 V、高電平為1.850 V，第二路輸出中低電平為0.102 V、高電平為0.879 V。為了驗證傳感器，分別對其步進電機不同驅動轉速下的獨立線性度、重復性、一致性等做了測量。

3.2 獨立線性度與電機頻率測試
    為全面考察MLX90316傳感器在工作時的獨立線性度，模擬在較重和重踩踏板情況下，分別以100 r/s、150 r/s、200 r/s、250 r/s、300 r/s、400 r/s、500 r/s、600 r/s、700 r/s、800 r/s的轉速驅動圓盤形磁鐵，得到各自的獨立線性度與轉速之間的關系，如圖7所示。由圖7可見，在各轉速情況下，獨立線性度均小于1.5%，優于現行汽車油門腳踏板檢測系統。將MLX90316芯片裝入汽車油門腳踏板轉軸內，替代現行碳膜電阻油門腳踏板的獨立線性度，達到了應用要求。圖中隨著轉速增加，獨立線性度有增大的趨勢，這是因為ADS774JP的數據采集與頻率相關，速度太快時可能采集到的數據有遺漏，但不同角度傳感器在測量時對測試轉速的改變所引起的獨立線性度變化趨勢基本是一致的。由圖7看出，轉速在50 r/s～300 r/s的情況下較佳，獨立線性度小于1.03%，能滿足實際應用需要。

3.4 一致性測試

    傳感器的一致性也稱為互換性，通過對同批次角度傳感器的測量可以看出本測試系統的一致性。轉角范圍為50°，兩路電壓分別為0.1 V～0.9 V和0.3 V～1.85 V的角度傳感器4個，分別測量12次，測量時步進電機旋轉兩周(即720°)，轉速為150 r/s。其測量結果如圖9所示，結果顯示此非接觸式角度傳感器的一致性比較好，其獨立線性度保持在1%左右，4個電位器的參數基本保持一致。

    由于市面上的汽車油門腳踏板都是基于碳膜滑動電阻器式設計的，存在磨損大、接觸不良等缺點，本文設計了基于MLX90316非接觸式雙路輸出汽車油門腳踏板，并研制了相應的測試系統。從檢測結果來看，獨立線性度、重復性和一致性都很好，可以替代碳膜滑動變阻器結構，具有很大的應用前景。
參考文獻
[1] 李國鋒，王云.基于單片機的汽車電子油門控制器的設計與實現[J].電子技術應用，2009，35(4)：137-140.
[2] 余貴堂.基于MLX90316的BLDCM控制系統的研究[D]. 武漢：華中科技大學，2008.
[3] HILIGSMANN V，RIENDEAU P.Monolithic 360 degrees  rotary position sensor IC automotive applications[J].Proceedings of IEEE Sensors，2004，3(10)：1137-1142.
[4] 徐文濤，黃釗洪.基于計算機并口的磁敏無接觸式角度傳感器測試系統[J].傳感器世界，2008(4)：49-52.
[5] 周征.12位A/D轉換器ADS774JP及其在高精度檢測系統中的應用[J].國外電子元器件，2003(4)：35-37.
[6] 何培杰，陳翠英，王多輝.傳感器獨立線性度的研究[J].傳感器技術，1999，18（6)：26-27.