专利名称：发动机电子油门踏板传感器模块及其控制方法
技术领域：
本发明涉及发动机电子控制技术领域，具体涉及一种发动机电子油门踏板传感器 模块及其控制方法。
背景技术：
随着电控技术在机动车上的广泛应用，新型机动车普遍使用了电子油门。电子油 门通过位置传感器获取踏板位置与踏板变化快慢的信号，这个信号会被发动机电控单元 (ECU)接收和解读，发动机电控单元通过数据总线与整车控制单元进行通讯，获取其它工况 信息以及各种传感器信号，如车速、车距等，然后对执行机构发出控制指令。霍尔传感器因其结构简单、形小体轻、动态特性好、寿命长、高可靠性和可进行非 接触测量等优点，目前被广泛应用在电子油门中用做位置传感器。霍尔传感器产生的电压 信号，经信号处理电路放大后，输出给发动机电控单元。但是在生产过程中，由于霍尔传感 器本身的非线性以及制造和装配过程中不可避免的会产生误差，因此导致实际踏板转角θ 与霍尔传感器输出电压Vh的关系与预想的不一致，从而降低产品的一致性。为了避免实际踏板转角θ与霍尔传感器输出电SVh的关系不一致，目前可以采 用放大电路对霍尔传感器输出电压Vh进行放大，并通过接触式可调电阻改变放大电路的放 大倍数，从而得到合适的与踏板转角成正比的电压输出Vo。这种解决方法调整困难，导致 生产率低，从而增加了批量生产电子油门踏板的困难，而且较难保证发动机电控单元(ECU) 所需要的一致性、线性度和同步度的要求。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种发动机电子油门踏板传 感器模块，其抗干扰能力强，适用于批量生产，能够消除由于霍尔传感器本身的非线性以及 制造和装配产生的误差所带来的影响，并且能够很好的满足发动机电控单元(ECU)所需要 的对于输入电压信号的一致性、线性度、同步度的要求。本发明的目的通过采用如下技术方案实现该模块包括霍尔传感器、微控制器、滤波模块以及阻抗变换输出模块；所述微控制 器具体包括模数转换模块、中央处理器和脉宽调制输出模块；其中，所述霍尔传感器，安装在发动机电子油门的踏板上，用于将采集到的表示踏板转 角的电压信号Vh输出给微控制器的模数转换模块；所述模数转换模块，用于将霍尔传感器输出电压Vh的模拟量转换为数字量，发送 给所述中央处理器；所述中央处理器，用于保存预先测定的微控制器输出的PWM信号与阻抗变换输出 模块的最终输出电压Vo之间的拟合曲线a、预先标定的踏板转角θ和霍尔传感器输出电压 Vh之间的关系曲线b、以及用户要求的踏板转角θ与实际最终输出电压Vre之间的关系曲 线c ；在工作时，该中央处理器接收数字量的霍尔传感器输出电压VH，将该Vh代入关系曲线
4b得到当前踏板转角，根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压Vre，再根据拟 合曲线a计算所述所需输出电压Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出；所述滤波模块，用于对脉宽调制输出模块输出的PWM信号进行滤波；所述阻抗变换输出模块，用于对滤波模块输出的滤波后信号进行降低阻抗处理， 再输出给发动机电控单元。较佳地，所述阻抗变换输出模块进一步将降低阻抗后的信号作为负反馈信号反馈 给微控制器，构成对输出电压的闭环控制；在这种情况下，所述模数转换模块进一步用于对所述负反馈信号进行模数转换， 并发送给中央处理器；所述中央处理器根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压Vre之后， 进一步根据来自模数转换模块的负反馈信号对Vre进行闭环控制，得到Vw/，再根据拟合曲 线a计算Vw/对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。较佳地，所述微控制器、滤波模块和阻抗变换输出模块集成在同一块电路板上，将 霍尔传感器及该电路板封装成一个模块，安装在发动机电子油门踏板上。较佳地，所述微控制器为AVR型微控制器。较佳地，所述滤波模块为阻容网络滤波电路。较佳地，所述阻抗变换输出模块为单电源轨到轨的运算放大器。本发明还提供了一种发动机电子油门踏板传感器模块的控制方法，使得传感器模 块能够消除由于霍尔传感器本身的非线性以及制造和装配产生的误差所带来的影响，能够 很好的满足发动机电控单元(ECU)所需要的对于输入电压信号的一致性、线性度、同步度 的要求，且适用于批量生产。该方法具体步骤如下步骤一测定微控制器输出的PWM与传感器模块最终输出电压Vo的拟合曲线a。本步骤中，将该发动机电子油门踏板传感器模块与计算机相连，将编写好的PWM 输出程序下载到微控制器中；微控制器运行PWM输出程序，脉宽调制输出模块输出各种PWM 信号；所述计算机在阻抗变换输出模块输出端采集各PWM信号对应最终输出电压Vo，利用 采集数据拟合得到PWM与最终输出电压的拟合曲线a。在认为电路板和元器件的一致性很 好的条件下，本步骤只做一次即可。步骤二 标定踏板转角θ和霍尔传感器输出电压间的关系曲线b;本步骤中，将该发动机电子油门踏板传感器模块安装在油门踏板上，并将编写好 的标定程序下载到微控制器中；令踏板转过一系列角度，微控制器运行标定程序，获取各踏 板转角对应的霍尔传感器输出电压νΗ，根据所述步骤一得到的拟合曲线a将各踏板转角对 应的霍尔传感器输出电压Vh转换为PWM信号输出；所述计算机在阻抗变换输出模块输出端 采集各踏板转角对应的霍尔传感器输出电压Vh，计算得到踏板转角θ和霍尔传感器输出电 压\之间的关系曲线b;步骤三将用户要求的踏板转角θ与实际最终输出电压Vre之间的关系曲线C、以 及步骤一和步骤二确定的拟合曲线a和关系曲线b编写到控制程序中，将所述控制程序下 载到所述微处理器；步骤四微处理器运行控制程序，当转动踏板时，微处理器接收霍尔传感器输出电压Vh，将该Vh代入关系曲线b得到当前踏板转角，根据关系曲线c计算当前踏板转角对应 的所需输出电压Vre，再根据拟合曲线a计算所述Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出模 块输出，再经滤波模块和阻抗变换模块处理后，输出给发动机电控单元(ECU)。较佳地，输出给发动机电控单元的输出电压进一步作为负反馈信号反馈给微控制 器；在这种情况下，步骤四中，所述根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输 出电压Vre之后，进一步包括根据所述负反馈信号对所述Vre进行闭环控制，得到Vw/ ；步骤四中，所述再根据拟合曲线a计算所述Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出 模块输出为再根据拟合曲线a计算所述Vw/对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。由以上所述可以看出，本发明具有如下有益效果1、本发明利用微控制器存储曲线a、b、c，在实际采集过程中，利用其计算功能将当 前采集的踏板转角θ经计算转换成PWM信号，经阻抗变换输出电路输出，由于曲线a和b 均为预先测定且测定的曲线已经考虑了霍尔传感器自身的非线性和装配时产生的误差，因 此采用这样的关系曲线能够消除由于霍尔传感器本身的非线性以及制造和装配产生的误 差所带来的影响，并且能够很好的满足发动机电控单元(ECU)所需要的对于输入电压信号 的一致性、线性度、同步度的要求。而且由于模块中使用了微控制器，可以通过向微控制器 下载程序的方式，实现更多的功能，为下一步的研发提供了基础。2、本发明的信号处理电路使用微控制器对霍尔传感器产生的电压信号进行处理， 信号的输出采用微控制器输出PWM加滤波的方式，利用了 PWM抗噪性能强这一突出优点，保 证输出信号的精度。3、本发明预先确定各种拟合曲线，不需要在生产过程中采用调整接触式可调电阻 阻值的方式，不仅避免了调整时的困难，而且提高了批量生产电子油门踏板的生产率。4、本发明对输出电压信号进行闭环反馈控制，这样的控制方式可以降低负载变化 及外界干扰对输出的影响，进一步提高了该模块的抗干扰能力，保证输出信号的精度。
图1为发动机电子油门踏板传感器模块结构示意图；图2为霍尔传感器输出电压与踏板转角的标定曲线示意图；图3为生产厂家所要求的踏板转角与最终输出电压的关系曲线示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种发动机电子油门踏板传感器模块，其基本思想是该发动机电 子油门踏板传感器包括霍尔传感器、微控制器、滤波模块和阻抗变换输出模块，采用微控制 器对霍尔传感器产生的电压信号Vh进行处理，将处理后的信号采用脉宽调制(PWM)形式的 信号输出，再经过滤波模块和阻抗变换输出模块对PWM信号进行滤波和降低阻抗处理，得 到平稳、小阻抗的最终输出电压Vo提供给发动机电控单元(ECU)。该电子油门踏板传感器 模块使用之前，预先测定控制器输出的PWM与最终输出电压Vo之间的拟合曲线a，标定实际 踏板转角θ和霍尔传感器输出电压\之间的关系曲线b;工作时，微处理器根据生产厂家 要求的踏板转角θ与输出电压Vre之间的关系曲线c，以及预先测定的曲线a和b，计算并输出对应于当前踏板转角输出电压的PWM信号，并经过阻抗变换输出模块输出合适的电压 信号，该电压信号能够满足生产厂家的要求。可见，本发明利用微控制器存储曲线a、b、c，在工作过程中，利用其计算功能将当 前采集的踏板转角θ转换成PWM信号输出，经阻抗变换输出电路处理后输出合适的电压信 号，由于曲线a和b均为预先测定且测定的曲线已经考虑了霍尔传感器自身的非线性和装 配时产生的误差，因此采用这样的关系曲线能够消除由于霍尔传感器本身的非线性以及制 造和装配产生的误差所带来的影响，并且能够很好的满足发动机电控单元(ECU)所需要的 对于输入电压信号的一致性、线性度、同步度的要求。而且，本发明的微控制器采用PWM信号输出，利用了 PWM抗噪性能强的优点，保证 输出信号的精度。较佳地，本发明还可以增加对输出电压信号进行闭环反馈控制，这样的控制方式 可以降低负载变化及外界干扰对输出的影响，保证输出信号的精度。下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。图1示出了本发明发动机电子油门踏板传感器模块的结构示意图。如图1所示， 本发动机电子油门踏板传感器模块包括霍尔传感器、微控制器、滤波模块以及阻抗变换输 出模块；微控制器具体包括模数(AD)转换模块、中央处理器(CPU)和脉宽调制(PWM)输出 模块。该微控制器可以采用AVR型微控制器，该AVR型微控制器已经包括了 AD转换模块和 PWM输出模块。其中，霍尔传感器，安装在发动机电子油门的踏板上，将采集到的表示踏板转角的 电压信号Vh输出给微控制器的AD转换模块。AD转换模块，将霍尔传感器采集的电压信号Vh模拟量转换为数字量，发送给中央 处理器。中央处理器，保存预先测定的微控制器输出的PWM信号与阻抗变换输出模块的最 终输出电压Vo之间的拟合曲线a、预先标定的踏板转角θ和霍尔传感器输出电SVh之间 的关系曲线b、以及用户要求的踏板转角θ与实际输出电压Vre之间的关系曲线c;在工作 时，该中央处理器接收数字量的霍尔传感器输出电压VH，将该Vh作为Vo代入关系曲线b得 到当前踏板转角，根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的用户要求的最终输出电压Vre， 再根据拟合曲线a计算输出电压Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。滤波模块，用于滤掉脉宽调制输出模块输出的PWM信号中的高频谐波成分，变成 平稳的直流信号。在实际中，该滤波模块可以为阻容网络电路。阻抗变换输出模块，用于对滤波模块输出的信号进行降低阻抗处理，得到小输出 阻抗的信号，再输出给发动机电控单元(ECU)。在实际中，该阻抗变换输出模块可以选用 LMV321型或LMV358型运算放大器。在实际中，阻抗变换输出模块进一步将降低阻抗后的信号作为负反馈信号反馈给 微控制器以形成输出电压的闭环控制，则AD转换模块进一步用于对该负反馈信号进行模 数转换，并发送给中央处理器。中央处理器根据曲线b计算得到Vre后，利用来自模数转换 模块的负反馈信号对Vre进行闭环控制，得到Vw/，再根据拟合曲线a计算Vre’对应的PWM信 号并由脉宽调制输出模块输出。其中，闭环控制可以为比例微分(PD)控制、比例积分(PI) 控制、比例积分微分(PID)控制，等等。利用反馈信号进行闭环控制为常用技术手段，这里
7不详述。本实施例中，为了增强本传感器模块的集成度，可以将上述AVR型微控制器、滤波 模块、阻抗变换输出模块集成在同一块电路板上，并将霍尔传感器及电路板封装成一个模 块，安装在发动机电子油门踏板上。基于上述公开的传感器模块，本发明还提供了一种用于该传感器模块的控制方 法，该控制方法的具体步骤如下第一步测定微控制器输出的PWM与本传感器模块最终输出电压Vo之间的拟合曲线a。本步骤中，将发动机电子油门踏板传感器模块与PC机相连，将编写好的程序下载 到微控制器中，程序的功能是通过修改占空比改变PWM数值。逐次修改PWM的值，使得脉宽 调制输出模块输出各种PWM信号，PC机在阻抗变换输出模块的输出端采集各PWM对应的最 终输出电压Vo，用线性或分段线性拟合的方法，在PC机上对得到的数据进行拟合得到输出 PWM与最终输出电压的拟合曲线。在认为电路板和元器件的一致性很好的条件下，本步骤只 做一次即可。第二步对已安装好的霍尔传感器进行标定，即测定踏板转角θ和霍尔传感器输 出电压％之间的关系曲线b。本步骤中，将发动机电子油门踏板传感器模块与PC机相连，将编写好的用于标定 霍尔传感器的程序下载到微控制器中，该程序的功能是微控制器接收霍尔传感器输入的对 应于踏板转角的电压信号，根据第一步中得到的PWM与最终输出电压Vo的拟合曲线a计算 PWM值，并按此PWM值输出电压。使踏板转过一系列角度，将霍尔传感器采集到的对应每个 角度的霍尔传感器输出电压Vh输出给微控制器，微控制器根据第一步中得到的PWM与最终 输出电压Vo的拟合曲线a，将对应于每个角度的霍尔传感器输出电压Vh转换成PWM信号输 出，该输出的PWM信号再经滤波模块和阻抗变换模块处理后，最终输出Vh信号给PC机，在 PC机上经过拟合得到的踏板转角θ与霍尔传感器输出电压间的关系曲线b。该曲线 b如图2所示。第三步编写最终的控制程序。本步骤中，如图3所示，为生产厂家所要求的踏板转角θ与输出电压Vre的关系曲 线C。将生产厂家所要求的踏板转角与输出电压的关系曲线c与第二步中得到的踏板转角 θ与霍尔传感器输出电压Vh之间的关系曲线b，以及在第一步中获得拟合曲线a编写到程 序里，并将最终的控制程序下载到微控制器中。该程序的功能为微控制器接收霍尔传感器 输入的电压信号，根据第二步中得到的标定曲线b计算当前踏板转角，根据生产厂家要求 的踏板转角与输出电压的关系曲线c计算应输出的电压值，再根据输出PWM与最终电压的 拟合曲线a计算应输出的PWM数值，最后输出PWM信号。第四步进入工作循环。本步骤中，当转动踏板时，霍尔传感器将采集到的对应于当前踏板转角的电压信 号Vh输出给微控制器，微控制器对Vh进行模数转换后，代入第二步中得到的关系曲线b，计 算得到当前踏板转角；根据生产厂家要求的踏板转角与最终输出电压Vre的关系曲线c计算 当前踏板转角对应的用户要求的最终输出电压值Vre，也是当前传感器模块应该最终输出的 电压值；然后按照第一步中得到的PWM与最终输出电压Vo的拟合曲线a将计算得到的最终输出电压Vre转换成PWM信号并由脉宽调制输出模块输出，该PWM信号再经滤波模块和阻抗 变换模块处理后，输出给发动机电控单元(ECU)。较佳地，输出给ECU的输出电压进一步作为负反馈信号反馈给微控制器；那么，第 四步中，根据曲线c计算Vre之后，进一步利用负反馈信号对Vre进行闭环控制，得到Vw/ ；再 根据拟合曲线a计算所述Vre’对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。从以上各个测定(标定)过程和传感器模块工作过程可以看出，本发明未采用调 整接触式调节可调电阻阻值的方式，因此避免了调整上的困难，从而使得本发明传感器模 块适用于批量生产电子油门踏板。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，该模块包括霍尔传感器、微控制器、滤波模块以及阻抗变换输出模块；所述微控制器具体包括模数转换模块、中央处理器和脉宽调制输出模块；其中，所述霍尔传感器，安装在发动机电子油门的踏板上，用于将采集到的表示踏板转角的电压信号VH输出给微控制器的模数转换模块；所述模数转换模块，用于将霍尔传感器输出电压VH的模拟量转换为数字量，发送给所述中央处理器；所述中央处理器，用于保存预先测定的微控制器输出的脉宽调制PWM信号与阻抗变换输出模块的最终输出电压Vo之间的拟合曲线a、预先标定的踏板转角θ和霍尔传感器输出电压VH之间的关系曲线b、以及用户要求的踏板转角θ与实际最终输出电压VOG之间的关系曲线c；在工作时，该中央处理器接收数字量的霍尔传感器输出电压VH，将该VH代入关系曲线b得到当前踏板转角θ，根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压VOG，再根据拟合曲线a计算所述VOG对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出；所述滤波模块，用于对脉宽调制输出模块输出的PWM信号进行滤波；所述阻抗变换输出模块，用于对滤波模块输出的滤波后信号进行降低阻抗处理，再输出给发动机电控单元。
2.如权利要求1所述的发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，所述微控制器、 滤波模块和阻抗变换输出模块集成在同一块电路板上，将霍尔传感器及该电路板封装成一 个模块，安装在发动机电子油门踏板上。
3.如权利要求1或2所述的发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，所述阻抗变 换输出模块进一步将降低阻抗后的信号作为负反馈信号反馈给微控制器；所述模数转换模块进一步用于对所述负反馈信号进行模数转换，并发送给中央处理器；所述中央处理器根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压Vre之后，进一 步根据来自模数转换模块的负反馈信号对所述Vre进行闭环控制，得到Vw/，再根据拟合曲 线a计算所述Vw/对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。
4.如权利要求1或2所述的发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，所述微控制 器为AVR型微控制器。
5.如权利要求1或2所述的发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，所述滤波模 块为阻容网络滤波电路。
6.如权利要求1或2所述的发动机电子油门踏板传感器模块，其特征在于，所述阻抗变 换输出模块为单电源轨到轨的运算放大器。
7.一种发动机电子油门踏板传感器模块的控制方法，其特征在于，所述发动机电子油 门踏板传感器模块为如权利要求1至5任意一项所述的传感器模块；该方法包括步骤一测定所述微控制器输出的PWM与传感器模块最终输出电压Vo之间的拟合曲线a ；本步骤中，将该发动机电子油门踏板传感器模块与计算机相连，将编写好的PWM输出 程序下载到微控制器中；微控制器运行PWM输出程序，令脉宽调制输出模块输出各种PWM信 号；所述计算机在阻抗变换输出模块输出端采集各PWM信号对应最终输出电压Vo，利用采集数据拟合得到PWM与最终输出电压的拟合曲线a ；步骤二 标定踏板转角θ和霍尔传感器输出电压间的关系曲线b; 本步骤中，将该发动机电子油门踏板传感器模块安装在油门踏板上，并将编写好的标 定程序下载到微控制器中；令踏板转过一系列角度，微控制器运行标定程序，获取各踏板转 角对应的霍尔传感器输出电压VH，根据所述步骤一得到的拟合曲线a将各踏板转角对应的 霍尔传感器输出电压Vh转换为PWM信号输出；所述计算机在阻抗变换输出模块输出端采集 各踏板转角对应霍尔传感器输出电压Vh，计算得到踏板转角θ和霍尔传感器输出电压 间的关系曲线b;步骤三将用户要求的踏板转角θ与实际最终输出电压Vre之间的关系曲线c、以及 所述拟合曲线a和所述关系曲线b编写到控制程序中，将所述控制程序下载到所述微处理 器；步骤四微处理器运行控制程序，接收数字量的霍尔传感器输出电压VH，将该Vh代入关 系曲线b得到当前踏板转角，根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压Vre， 再根据拟合曲线a计算所述Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出，再经滤波模块 和阻抗变换模块处理后，输出给发动机电控单元。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤四中，输出给发动机电控单元 的输出电压进一步作为负反馈信号反馈给微控制器；步骤四中，所述根据关系曲线c计算当前踏板转角对应的所需输出电压Vre之后，进一 步包括根据所述负反馈信号对所述Vre进行闭环控制，得到Vw/ ；步骤四中，所述再根据拟合曲线a计算所述Vre对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块 输出为再根据拟合曲线a计算所述Vre’对应的PWM信号并由脉宽调制输出模块输出。
全文摘要
本发明公开了一种发动机电子油门踏板传感器模块和该传感器模块的控制方法，属于发动机电子控制领域。本发明的控制方法，通过编写微控制器程序的方式对安装好后的电子油门踏板进行标定，并对霍尔传感器输入的信号进行转换，使其能够生产厂家要求的电压。本发明提高了在批量生产电子油门踏板过程中的生产率，并且能够很好地满足发动机电控单元(ECU)所需要的对于输入电压信号的一致性、线性度、同步度的要求，且输出信号准确，抗干扰能力强，而且避免了采用接触式可调电阻调整输出电压的方法所带来的弊端。
文档编号F02D11/10GK101881232SQ20101017550
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者于雷, 刘兴华, 刘福水 申请人:北京理工大学