基于轉(zhuǎn)角差法的扭矩傳感器設(shè)計(jì)

逄金鑫，潘海林,，張 清，王江濤，唐光德，趙振杰

(1.納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程研究中心，上海 200062；2.國(guó)家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心,上海 200062)

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基于轉(zhuǎn)角差法的扭矩傳感器設(shè)計(jì)

逄金鑫1，潘海林1,2，張 清2，王江濤2，唐光德2，趙振杰1

(1.納光電集成與先進(jìn)裝備教育部工程研究中心，上海 200062；2.國(guó)家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心,上海 200062)

為滿足汽車傳感器集成化、智能化的需要，解決接觸式扭矩傳感器的不足之處，設(shè)計(jì)了一種非接觸式扭矩傳感器，為汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)提供扭矩信號(hào)。扭矩測(cè)量采用差角的方法，利用巨磁阻角度傳感器芯片獲得角度數(shù)據(jù)，微控制器對(duì)角度數(shù)據(jù)計(jì)算處理后通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)接口輸出扭矩信號(hào)。該傳感器具有無機(jī)械磨損、線性度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)角度測(cè)量的功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，該傳感器表現(xiàn)出良好的線性特性。

非接觸式；扭矩傳感器；轉(zhuǎn)角差法；角度傳感器；冗余設(shè)計(jì)

0 引言

扭矩傳感器作為汽車EPS(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))中的信號(hào)源，其性能優(yōu)劣會(huì)直接影響ECU(電子控制單元)的運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)而會(huì)影響助力電機(jī)的響應(yīng)準(zhǔn)確性，因此其在EPS當(dāng)中扮演著十分重要的角色。目前，電位計(jì)型、接觸式傳感器仍在廣泛使用[1]。這種傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易磨損、穩(wěn)定性較差[2]。基于磁性測(cè)量原理的非接觸式扭矩傳感器主要有霍爾式、電磁感應(yīng)式和磁阻/巨磁阻式等[3-4],除此之外，也有基于磁彈性效應(yīng)的扭矩傳感器[5]。為更好地滿足汽車EPS系統(tǒng)對(duì)扭矩信號(hào)的需求，研究了基于轉(zhuǎn)角差法獲取扭矩的方法，采用非接觸式GMR角度測(cè)量芯片，設(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。該傳感器具有安裝方便、無需機(jī)械調(diào)零、無機(jī)械磨損、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。未來汽車傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是集成化設(shè)計(jì)以及可以通過汽車網(wǎng)絡(luò)如CAN進(jìn)行通訊[6]，所研究和設(shè)計(jì)的扭矩傳感器可以方便的集成到復(fù)合式傳感器當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)角同時(shí)輸出的功能，并通過CAN接口接入汽車網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

1 測(cè)量原理

在轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向輸入軸和轉(zhuǎn)向輸出軸之間加一扭桿，將轉(zhuǎn)向盤的扭矩傳遞到扭桿上，通過測(cè)量扭桿的扭矩來獲得轉(zhuǎn)向盤的扭矩。由力學(xué)知識(shí)可得扭桿的扭矩T的計(jì)算公式：

(1)

式中:G為扭桿的剪切彈性模量；Ip為扭桿的極慣性矩;l為扭桿的長(zhǎng)度;θ為扭桿的扭轉(zhuǎn)角。

G、Ip、l為常數(shù)，可知扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比。

從安全性的角度考慮，對(duì)扭矩測(cè)量加入冗余設(shè)計(jì)[8]，同時(shí)測(cè)量并輸出2路扭矩?cái)?shù)據(jù)。

2 扭矩計(jì)算推導(dǎo)

如圖1所示，扭桿上端和下端各連接有1個(gè)大齒輪，2個(gè)大齒輪的參數(shù)一致，齒數(shù)為n。2個(gè)大齒輪均與2個(gè)小齒輪嚙合，小齒輪齒數(shù)分別為n1和n2。齒數(shù)為n1的一組齒輪和齒數(shù)為n2的一組齒輪各自獨(dú)立測(cè)量角度和計(jì)算扭矩?cái)?shù)據(jù)。

圖1 測(cè)量原理圖

齒輪1和齒輪4與大齒輪之間的傳動(dòng)比N1=n/n1；齒輪2和齒輪3與大齒輪之間的傳動(dòng)比N2=n/n2。設(shè)齒輪1和齒輪4的初始角度分別為φ10和φ40,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過一定角度后，齒輪1和齒輪4對(duì)應(yīng)的角度變?yōu)棣?1和φ41,計(jì)算轉(zhuǎn)向盤的扭矩。

齒輪1轉(zhuǎn)過的角度為φ11-φ10+C1×360°，齒輪4轉(zhuǎn)過的角度為φ41-φ40+C4×360°。其中C1、C4為整數(shù)。扭桿實(shí)際形變的角度為兩者之和。令Δφ1=φ11-φ10，Δφ4=φ41-φ40。考慮到齒輪1和齒輪4與大齒輪之間的傳動(dòng)比。則

N1×θ=Δφ1+Δφ4+(C1+C4)×360°

(2)

扭角的測(cè)量范圍設(shè)定為-8°～8°，當(dāng)N1<45時(shí)，齒輪1與齒輪4之間的角度差值不超過360°，故此時(shí)C1+C4的可能取值為-1，0，1。

關(guān)于C1+C4取值的判斷，N1·θ的取值為-8°×N1～8°×N1，所以當(dāng)Δφ1+Δφ4<-8°×N1時(shí)，C1+C4取1，當(dāng)Δφ1+Δφ4>8°×N1時(shí)，C1+C4取-1，其他情況C1+C4取0。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制器選型

系統(tǒng)的主控制器為8位微控制器XC886，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，工作頻率高達(dá)24 MHz，具備乘/除法運(yùn)算單元，具有2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的MultiCAN模塊[9]。

3.2 傳感器芯片選型

傳感器芯片采用基于GMR原理測(cè)量的角度傳感器芯片TLE5012B[10]，測(cè)量范圍為0～360°，輸出絕對(duì)角度值用15 bit數(shù)字信號(hào)表示[11]。

3.3 系統(tǒng)電路

系統(tǒng)框圖如圖2所示，硬件電路主要分成3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理輸出部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分。數(shù)據(jù)采集部分主要由TLE5012B傳感器芯片完成。數(shù)據(jù)處理和輸出部分由微控制器XC886完成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分為外接的一片74LC02 E2PROM芯片，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)四顆磁鋼的初始磁場(chǎng)方向。在初值測(cè)量階段，四顆傳感器芯片分別測(cè)量四顆磁鋼的磁場(chǎng)方向，并將數(shù)據(jù)通過SSC(同步串行通信)接口傳輸給XC886。XC886使用GPIO(通用輸入/輸出)接口模擬I2C接口,將接收的數(shù)據(jù)處理后存入E2PROM[12]。

圖2 硬件框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示，軟件程序主要分為2個(gè)部分：初值存儲(chǔ)部分和當(dāng)前值測(cè)量部分。當(dāng)引腳P4_0為高電平時(shí)，運(yùn)行初值測(cè)量與存儲(chǔ)程序，P4_0為低電平時(shí)，運(yùn)行當(dāng)前值測(cè)量與扭矩計(jì)算程序。四顆角度傳感器芯片通過總線的方式與XC886相連，XC886采用動(dòng)態(tài)掃描的方式依次獲取4個(gè)角度傳感器的數(shù)據(jù)。在初值存儲(chǔ)部分，只需將4組數(shù)據(jù)存入E2PROM即可；在當(dāng)前值測(cè)量部分，將獲得的最新角度數(shù)據(jù)與讀取的初始角度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得扭矩?cái)?shù)據(jù)，并通過CAN接口輸出。

圖3 軟件框圖

5 結(jié)果與討論

裝配好傳感器后，設(shè)置好零位，開始扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量。使用步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)為0.9°，測(cè)量每一步轉(zhuǎn)動(dòng)后的扭轉(zhuǎn)角度值。廠方提供的扭桿K值為2 N·m/(°)，與扭角值相乘可得扭矩值。根據(jù)傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法GBT_18459—2001，采用實(shí)際總平均特性的最佳擬合直線方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4、圖5為兩組齒輪同時(shí)測(cè)量的扭矩?cái)?shù)據(jù)，分別輸出為主路扭矩信號(hào)與輔路扭矩信號(hào)，兩組數(shù)據(jù)互補(bǔ)。數(shù)據(jù)表明，扭矩傳感器線性度很好。齒輪嚙合波動(dòng)是造成非線性的最主要因素，最大非線性度約為0.787%，重復(fù)性誤差為0.110%；。通過降低傳動(dòng)過程中的齒輪嚙合波動(dòng)，可以進(jìn)一步提高傳感器的線性度。

圖4 主路扭矩信號(hào)

圖5 輔路扭矩信號(hào)

傳感器分辨率測(cè)量。設(shè)置步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±9°，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)高速采集轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后通過CAN接口輸出角度值，輸入變化量以最小采集時(shí)間間隔為單位，圖6為從扭轉(zhuǎn)角8.1°～-8.1°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所連續(xù)采集獲得的數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)之間間隔0.005 2°，縱坐標(biāo)為CAN輸出數(shù)據(jù)的十進(jìn)制格式，間隔為0.011 0°。圖6中的插圖為整個(gè)過程中靈敏度最低的一段，在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.062 4°時(shí)輸出才發(fā)生變化，可以得出分辨率為0.062 4°。

圖6 連續(xù)采集扭矩輸出數(shù)據(jù)

通過角度傳感器的分辨率性能以及齒輪傳動(dòng)比計(jì)算得到扭矩傳感器的理論分辨率為0.001 47°。實(shí)際測(cè)得的分辨率遠(yuǎn)大于此值，其原因主要有：一是齒輪嚙合度不夠，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小齒輪未能即時(shí)傳動(dòng)；二是步進(jìn)電機(jī)具有最小步長(zhǎng)，其實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度是離散的，整體轉(zhuǎn)動(dòng)近似是勻速運(yùn)動(dòng)，但如果細(xì)分到一個(gè)很小的時(shí)間間隔(小于最小步長(zhǎng)的時(shí)間)，其轉(zhuǎn)動(dòng)過程并非勻速，這也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量造成一定不良影響。因此，進(jìn)一步從機(jī)械和測(cè)量裝置進(jìn)行改善，可以提高傳感器的分辨率。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種非接觸式扭矩傳感器，采用冗余設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了傳感器的基本特性，兩路扭矩信號(hào)具有良好的線性度，最大非線性度為0.787%，重復(fù)性誤差為0.110%；連續(xù)采樣測(cè)得分辨率為0.062 4°，低于理論分辨率，而提高分辨率，需要進(jìn)一步改善所用機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)量裝置。該傳感器采用CAN接口與汽車局域網(wǎng)通訊，且可以方便實(shí)現(xiàn)扭矩和絕對(duì)轉(zhuǎn)角同時(shí)輸出的功能，符合汽車傳感器智能化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)。

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《儀表技術(shù)與傳感器》雜志

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Research and Design of Torque Sensor Based on Angle Difference Method

PANG Jin-xin1,PAN Hai-lin1,2,ZHANG Qing2,WANG Jiang-tao2,TANG Guang-de2,ZHAO Zhen-jie1

(1. Ministry of Education Nanophotonics& Advanced Instrument Engineering Research Center,Shanghai 200062,China;2.National Trusted Embedded Software Engineering Technology Research Center,Shanghai 200062,China)

In order to meet the integration and intelligence needs of automotive sensors and solve the disadvantage of contact torque sensors,a contactless torque sensor was developed，thus providing torque signals for automotive electric power steering system. Torque measurement was carried out by the method of steering angle difference,and angle values were measured by the GMR Angle Sensors,then the the torque value was figured out by micro controller unit and put out through Controller Area Network interface. The sensors could easily realize the function of measuring absolute angle values. The test result shows that the designed sensor has good linear properties.

contactless;torque sensor;angle difference;angle sensor;redundancy design

2014-11-20 收修改稿日期：2015-07-20

TP212

A

1002-1841(2015)10-0013-03

逄金鑫(1990—)，碩士研究生，主要研究方向：汽車傳感器。E-mail:pangjinxin@gmail.com 趙振杰(1970—)，教授，主要研究方向：磁敏材料及應(yīng)用。 E-mail：zjzhao@phy.ecnu.edu.cn