汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究

劉 軍，秦書(shū)劍，周海森，賈林夕

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究

劉 軍，秦書(shū)劍，周海森，賈林夕

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

使用基于 Triaxis三軸霍爾原理的角度傳感器芯片 MLX90316和單片機(jī)MC9S08DZ16，通過(guò)對(duì)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制出成本低廉、測(cè)量精確、抗干擾性能好，具有一定智能的非接觸式方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器。該傳感器可以為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控單元提供精確的方向盤(pán)絕對(duì)位置角度值，并且可以通過(guò)軟件計(jì)算出方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、角加速度值。

線控轉(zhuǎn)向;角度傳感器;方向盤(pán)轉(zhuǎn)角;霍爾傳感器;MLX90316;非接觸式

隨著汽車(chē)產(chǎn)量的增加，人們對(duì)汽車(chē)安全性、舒適性的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性和主動(dòng)安全性的關(guān)鍵所在，因此新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直是汽車(chē)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(steer by wire，SBW)同時(shí)兼有EPS和AFS的特征和功能。它取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接，擺脫了機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的限制，不僅可以對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以對(duì)其角傳遞特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，對(duì)提高“人－車(chē)－路”閉環(huán)系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性和主動(dòng)安全性具有重要意義［1－2］。目前的研究主要集中在線控轉(zhuǎn)向的控制策略方面，很少提及方向盤(pán)角度的獲取方法［3］。實(shí)際上，方向盤(pán)角度的獲取是線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過(guò)計(jì)算方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)角變化速率來(lái)識(shí)別駕駛員的操作意圖，從而為線控轉(zhuǎn)向控制單元提供控制動(dòng)作的依據(jù)。本文設(shè)計(jì)了一種基于Triaxis三軸霍爾技術(shù)的非接觸式絕對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器。

1 絕對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器的原理與結(jié)構(gòu)

1.1 角度傳感器工作原理

MLX90316芯片是傳感器的核心部件。該芯片采用5 V供電，具有數(shù)字串行輸出SPI功能，可輸出14 bit計(jì)算后的角度信號(hào)，其測(cè)量精度達(dá)到了12 bit的角度分辨率。

平行于芯片表面的磁場(chǎng)(例如B∥)可被Triaxis三軸傳感器的前端感應(yīng)到。傳感器的前端包括相互正交的2對(duì)傳統(tǒng)平面霍爾元件和1個(gè)集磁片IMC(如圖1所示)。B∥在2個(gè)分量方向上分別測(cè)量得到BX∥和BY∥。芯片通過(guò)集磁片(IMC)將這2個(gè)平行的分量(分別為BX∥和BY∥)變換為與之成正比的2個(gè)垂直方向上的分量(分別為 BX⊥和BY⊥)，再通過(guò)芯片中的傳統(tǒng)平面霍爾元件來(lái)測(cè)量這2個(gè)垂直分量。

圖1 Triaxis傳感器前端

當(dāng)磁石(徑向磁化)在芯片表面旋轉(zhuǎn)時(shí)，MLX90316可以感應(yīng)與芯片表面平行的磁場(chǎng)。如圖2所示，芯片傳感部分將產(chǎn)生2個(gè)正交的差分信號(hào)(正弦和余弦信號(hào))。這2個(gè)霍爾信號(hào)利用經(jīng)典的漂移電壓消除技術(shù)(霍爾元件四相位旋轉(zhuǎn)和斬波放大器)，通過(guò)一個(gè)差分式全模擬處理鏈進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)處理的模擬信號(hào)由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給DSP模塊做后續(xù)處理。芯片的DSP模塊采用16bitRISC微處理器，其主要功能是對(duì)2個(gè)原始的霍爾信號(hào)通過(guò)式(1)計(jì)算其角度位置信號(hào)。

由于“ATAN”運(yùn)算用于比值“VY/VX”，而由間隙、溫度以及老化等因素變化引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化都將以同等程度作用于2個(gè)信號(hào)上，因此得到的角度信號(hào)本身就具有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。這一特性使得該芯片相比傳統(tǒng)的線性霍爾芯片在溫度變化時(shí)的精確度得到了較大的提升［4－5］。

圖2 輸出信號(hào):Vx∝cos(α)，VY∝sin(α)

1.2 轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因?yàn)榫€控轉(zhuǎn)向的特性是低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車(chē)時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。因此，線控轉(zhuǎn)向中方向盤(pán)一般轉(zhuǎn)角為±540°，而MLX90316轉(zhuǎn)角傳感器的測(cè)量范圍是 －180°～180°。為了將方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和傳感器的角度唯一對(duì)應(yīng)起來(lái)，采用了1∶4的傳動(dòng)比［6］。

如圖3所示:轉(zhuǎn)角傳感器的齒輪1與電機(jī)的轉(zhuǎn)向柱固定連接;齒輪1與齒輪2相嚙合，其傳動(dòng)比是1∶2;齒輪2與齒輪3通過(guò)轉(zhuǎn)軸1固連在一起;齒輪3與齒輪4又相嚙合，其傳動(dòng)比也是1∶2，這樣就得到了1∶4的傳動(dòng)比。

圖3 角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 角度傳感器電路硬件設(shè)計(jì)

電路中需要采用芯片MLX90316來(lái)感應(yīng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)變化，并將該變化轉(zhuǎn)化成方向盤(pán)轉(zhuǎn)角。電路硬件部分要實(shí)現(xiàn)的功能是捕獲磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)量并將其轉(zhuǎn)換為方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角。本文選用轉(zhuǎn)角芯片MLX90316和單片機(jī)MC9S08DZ16來(lái)分別完成以上任務(wù)。MC9S08DZ16是飛思卡爾公司的8位單片機(jī)，自帶功能豐富。在本系統(tǒng)中主要利用了單片機(jī)的SPI模塊和MLX90316進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在傳感器和單片機(jī)之間傳輸數(shù)字型數(shù)據(jù)意味著可以降低易感性干擾。MC9S08DZ16還可以通過(guò)CAN總線模塊和其他模塊進(jìn)行通信［7］。CAN總線的部分接口電路如圖4所示。

圖4 CAN總線的部分接口電路

單片機(jī)以主機(jī)身份通過(guò) SPI接口接受MLX90316傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的方向盤(pán)角度值，通過(guò)CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給ECU。

3 角度傳感器軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程主要包括處理器初始化模塊、預(yù)置的FLASH數(shù)據(jù)讀取模塊、MLX90316的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊以及傳感器中斷置零模塊［8］，如圖5所示。

3.2 方向盤(pán)絕對(duì)位置轉(zhuǎn)角計(jì)算程序

當(dāng)傳感器安裝到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向柱上時(shí)，磁鋼與方向盤(pán)的位置角度值一一對(duì)應(yīng)，則方向盤(pán)的回正位置對(duì)應(yīng)一個(gè)磁鋼的位置角度值，將此角度設(shè)為絕對(duì)零度α0。傳感器安裝后，先將方向盤(pán)轉(zhuǎn)到回正位置，此時(shí)通過(guò)外部按鍵產(chǎn)生置零中斷，從中斷處讀取數(shù)值并存入FLASH中。之后每次上電均讀取該值作為方向盤(pán)絕對(duì)位置角度計(jì)算的參考零點(diǎn)，這樣即可計(jì)算出方向盤(pán)的絕對(duì)位置轉(zhuǎn)角。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

磁鋼相對(duì)于參考零點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為:Absolute_Angle=α－α0;方向盤(pán)的絕對(duì)轉(zhuǎn)角:Steer_Angle=(α－α0)×4;傳感器通過(guò)讀取下一次的角度Absolute _Angle減去前一次讀取的Pre_Absolute_Angle的差的正負(fù)就可以判斷方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并且還可通過(guò)積分或者微分的原理計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度和角速度［9］。方向盤(pán)絕對(duì)轉(zhuǎn)角計(jì)算的程序如下:

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固定好角度傳感器，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)磁鋼進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，每隔15°進(jìn)行方向盤(pán)實(shí)際角度的測(cè)量。實(shí)際角度值和誤差的關(guān)系如圖6所示。

圖6 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量誤差

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知:該非接觸式方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器基于三軸霍爾原理設(shè)計(jì)，可以滿足線控對(duì)轉(zhuǎn)向方向盤(pán)角度的讀取需要，具有測(cè)量精度合理、測(cè)量范圍廣、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為線控轉(zhuǎn)向控制協(xié)調(diào)打下了基礎(chǔ)。

［1］ 何仁，李強(qiáng).汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5(2):68－72.

［2］ 于蕾艷，林逸，施國(guó)標(biāo).汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2008(4):20－38.

［3］ 石沛林，唐紹豐，邱緒云，等.線控轉(zhuǎn)向車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制策略研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，(11):104－106.

［4］ Melexis Microelectronic Integrated System.MLX90316 Rotary Position Sensor IC［Z］.2009.

［5］ 朱何，李勝，阮健.基于Mlx90316的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器角位移測(cè)控系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2012，29(9):1046－1060.

［6］ 張英福.巨磁電阻在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器中的應(yīng)用［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，23(10):17－20.

［7］ 孟黎明，楊勝兵.基于CAN總線和巨磁阻的汽車(chē)踏板角度傳感器研究［J］.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26(1):6－9.

［8］ 李浩，徐衍亮.電動(dòng)汽車(chē)方向盤(pán)絕對(duì)角位置傳感器的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(3):32－34.

［9］ 王俊，楊勝兵，過(guò)學(xué)迅.汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究［J］.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25 (1):19－21.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Steering Wheel Angle Sensor in Vehicle Steer-by-Wire(SBW)System

LIU Jun，QIN Shu－jian，ZHOU Hai－sen，JIA Lin－xi
(School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Using the magnetic sensor chip MLX90316 and the MC9S08DZ16 based on the Triaxis Hall Technology，a non－contact and intelligent steering angle sensor is built，which has advantages of cheap costs，great precision and anti－jamming performance.This steering angle sensor can provide an accurate angle value of steering wheel absolute position for SBW(steer－by－wire).By software，the direction，speed and acceleration of turning the steering wheel can be computed.

SBW;angle sensor;steering wheel angle;Hall sensor;MLX90316;non－contact

U463.4

A

1674－8425(2014)07－0001－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.001

2014－01－08

劉軍(1968—)，男，江蘇靖江人，博士，教授，主要從事汽車(chē)電子方面的研究。

劉軍，秦書(shū)劍，周海森，等.汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(7):1－4.

format:LIU Jun，QIN Shu－jian，ZHOU Hai－sen，et al.Steering Wheel Angle Sensor in Vehicle Steer－by－Wire (SBW)System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):1－4.