集成轉(zhuǎn)向傳感器的設(shè)計

張光慧 萬茂林

Zhang Guanghui1, Wan Maolin2

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230000；2. 武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、控制器、離合器、電動機和減速機構(gòu)等組成。其中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器是確保 EPS工作性能的關(guān)鍵部件[1]。集成轉(zhuǎn)向傳感器既能用于 EPS，也可以用于 ESP和安全巡航控制等智能駕駛控制，是新一代汽車智能控制的關(guān)鍵部件和研發(fā)熱點[2]。當(dāng)前國內(nèi)的實際研究現(xiàn)狀是，兩種傳感器集成所產(chǎn)生的信號干擾在技術(shù)上較難處理。此外，較大的結(jié)構(gòu)尺寸和制造成本也制約了其研發(fā)和實際應(yīng)用，一般都停留在理論基礎(chǔ)上面，致使研發(fā)進展緩慢。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 扭桿彈簧的設(shè)計

由于實心圓柱扭桿彈簧結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，加工方便等優(yōu)點，所以采用圓斷面扭桿彈簧[3]。保證扭桿輸入端在外加力矩的作用下，兩連接端面之間的偏轉(zhuǎn)角不超過±5°，據(jù)此確定扭桿彈簧的相關(guān)參數(shù)，進行有限元分析。扭桿彈簧參數(shù)如表1所示。

表1 扭桿彈簧參數(shù)

采用等效長度方法確定長度初選材料：45鋼。

1.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)

圖1所示為傳感器的三維結(jié)構(gòu)圖。托盤a和輸入軸部件1通過過盈配合連接在一起，托盤b和輸出軸部件5通過過盈配合連接在一起。磁鐵7安裝在托盤a上，磁阻傳感器組件6安裝在托盤b上。當(dāng)在輸入軸1加載扭矩，磁鐵7和磁阻傳感器組件6之間有相對轉(zhuǎn)動，可以測得相對轉(zhuǎn)角，利用相對轉(zhuǎn)角進而可以測出轉(zhuǎn)矩。

注意：在測量扭矩信號時，傳感器的結(jié)構(gòu)不再適用圓片型磁鐵，而應(yīng)該選擇條形磁鐵，并且其一端為N級，一端為S級，芯片在磁鐵的N級和S級之間運動，并且磁鐵的磁極距應(yīng)該大于芯片相對磁鐵的運動位移，這樣才能測得準確的角度值。

2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器的電路設(shè)計

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

選擇LPC2292作為控制器，因為傳感器直接輸出的信號經(jīng)過過濾輸出為 0.5～4.5V之間，而LPC2292的A/D轉(zhuǎn)換電壓最大值為3.3V。因此必須對角度信號進行調(diào)理，然后連接至芯片的A/D轉(zhuǎn)換口，實現(xiàn)角度信號的采集。

信號調(diào)理電路的設(shè)計應(yīng)當(dāng)能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角信號的采集、濾波、發(fā)送，驅(qū)動EPS用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器的電機工作。信號調(diào)理電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 控制電路的設(shè)計

測量芯片選用KMT36H，所測量的是磁場變化的方向。芯片是在磁場的平面內(nèi)移動的，若芯片測得的磁場的方向變化為a，而磁鐵兩端的磁場方向的變化值為 180°，假設(shè)磁鐵的磁極距為b，那么芯片所移動的距離m即為m=a/180*b，假設(shè)芯片的運動半徑為 r，那么芯片相對磁鐵的運動角度n=m/r。n即為輸入軸和輸出軸的相對轉(zhuǎn)角。然后通過公式M=GJn/L計算扭矩值。其中M為所加轉(zhuǎn)矩，G為材料的剪切彈性模量，J為軸體截面的極慣性矩，L為托盤a和b之間的距離。

在此基礎(chǔ)上，繪制傳感器控制電路的 PCB圖，如圖3所示。

3 傳感器的試驗

3.1 角度標定試驗

用一精確轉(zhuǎn)角傳感器進行標定試驗，可得到結(jié)果如表2、表3所示。

表2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器角度標定數(shù)據(jù)表（左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤）

續(xù)表2

表3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器角度標定數(shù)據(jù)表（右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤）

續(xù)表3

經(jīng)計算，非線性誤差控制在0.1%左右，重復(fù)性誤差控制在0.3%左右，分辨力控制在0.5°內(nèi)，表明該傳感器的轉(zhuǎn)角測量部分符合使用要求。

3.2 轉(zhuǎn)矩標定試驗

同樣，用一精確轉(zhuǎn)矩傳感器進行標定試驗，得到結(jié)果如表4、表5所示。

表4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器扭矩標定數(shù)據(jù)表（左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤）

表5 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器扭矩標定數(shù)據(jù)表（右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤）

上述可知，分辨力可以達到0.05 N·m，但是非線性誤差接近2%，重復(fù)性誤差也超過1%，還不能完全滿足使用要求。

4 結(jié)束語

設(shè)計的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角集成傳感器可以準確得到轉(zhuǎn)向角度信號，但在轉(zhuǎn)矩的測量方面誤差比較大，接下來的工作是減小扭矩測量中的信號干擾問題，使測量值盡可能地和準確值接近，并完善防過載保護結(jié)構(gòu)和斷電保護等問題的程序設(shè)計。迄今為止，EPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件—轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器還主要依賴于國外產(chǎn)品。因此，盡快進行該傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，不僅具有較高的實際應(yīng)用價值，還有著廣闊的市場前景。

[1]趙燕，周斌. 新型汽車轉(zhuǎn)向傳感器的研究[J]. 中國儀器儀表，2003，12（8）：4-6.

[2]Tokumoto Y. Development of Next-generation Steering Sensor for Electric Power Steering[J]. KOYO Engineering Journal English Edition，2004（165）：20-24.

[3]余樹橋. 磁阻式車用轉(zhuǎn)向傳感器的研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007.