電動助力轉向扭矩傳感器設計*

吳志敏, 萬茂松

(南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

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電動助力轉向扭矩傳感器設計*

吳志敏, 萬茂松

(南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

摘要:扭矩傳感器作為電動助力轉向(EPS)的傳感元件，對轉向的精確性至關重要。介紹了一種EPS扭矩傳感器設計，主要通過霍爾元件采集磁通量的改變轉換為電壓，此電壓值傳送到控制器，控制器根據(jù)此電壓值轉換為扭矩值并依此計算出助力值，此外，還可以根據(jù)采集到的扭矩信號達到診斷功能。

關鍵詞:扭矩傳感器； 電動助力轉向； 磁感應強度

0引言

汽車電動助力轉向(electrical power steering,EPS)系統(tǒng)已成為汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向，汽車EPS直接由電機提供助力，省去液壓助力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、傳送帶等裝置，既節(jié)省能量又保護環(huán)境，而且,裝配靈活、調整簡單、高效率、路感好以及回正性強，在多種狀況下都能提供助力。EPS主要是依靠扭矩傳感器傳來的信號來計算出所需要的助力值[1,2]，因此,扭矩傳感器信號對電機輸出扭矩值起決定性作用，如何準確地將方向盤扭矩信號傳送到控制器中變得尤為重要。

本文提出了一種EPS扭矩傳感器設計，能有效地反映方向盤力矩的大小。

1EPS結構與原理

EPS主要由轉向傳感器、車速傳感器、機械轉向助力、助力電機以及控制器組成。駕駛員在操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向和轉矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉矩傳感器檢測到的轉矩電壓信號、轉動方向和車速信號等，向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩[3]，從而產(chǎn)生輔助動力，如圖1所示。汽車不轉向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，電動機不工作。

圖1　EPS轉向控制圖Fig 1　Steering control diagram of EPS

2EPS扭矩傳感器結構與原理

方向盤扭矩傳感器主要作用是向EPS助力算法提供代表輸入軸扭矩的信號。該扭矩傳感器主要由上轉子、下轉子、扭桿、傳感器支架和定位墊圈組成，如圖2。

圖2　扭矩傳感器結構圖Fig 2　Structure diagram of torque sensor

2.1上下轉子與傳感器支架

上轉子由永磁鐵組成，固定在上軸上，主要是提供磁場。下轉子由磁環(huán)和注塑在一起的上下兩片導磁鋼組成，固定在下軸上，每個導磁鋼各有6個導磁頭，主要功能通過上導磁鋼的導磁頭把相同磁極的磁力線導到同一片導磁鋼上(有6對磁極等角度分布在360°內，作用等同于1對導磁頭對應1對磁極的狀況)，如圖3所示。

圖3　上下轉子結構圖Fig 3　Structure diagram of upper rotor and lower rotor

上轉子壓入下轉子中，每對磁極的中間位置對應一個導磁鋼探頭，當沒有手力矩時，上下導磁鋼之間磁感應強度為零，如圖4所示，扭矩傳感器T1,T2未檢測到磁感應強度的變化，故霍爾元件沒有電壓輸出。

圖4　無手力矩時磁極分布圖Fig 4　Pole distribution map without handwheel torque

當向右轉動方向盤時，經(jīng)過上導磁鋼的N極磁力線會增多，經(jīng)過下導磁鋼的S極磁力線會增多，如圖5所示，T1，T2會感知到磁感應強度的變化。

圖5　右打方向盤時磁極分布圖Fig 5　Pole distribution map while turningsteeling wheel to the right

當向左轉動方向盤時，經(jīng)過上導磁鋼的S極磁力線會增多，而經(jīng)過下導磁鋼的N極磁力線會相應增多。如圖6所示，T1，T2會感知到相應變化。

圖6　左打方向盤時磁極分布圖Fig 6　Pole distribution map while turningsteeling wheel to the left

用T1-T2所得到的電壓值，這個值被送到控制器。通過控制器轉換為對應的扭矩值，控制器根據(jù)它輸入扭矩來判斷需要提供多少助力，再給馬達提供電壓來實現(xiàn)順逆時針的助力。而用T1與T2相加所得的信號作為診斷信號，用于檢測T1或者T2的信號丟失，此信號將一直處于±5 V公差之間，如圖7所示為理想狀況的T1，T2狀態(tài)。

圖7　T1，T2信號Fig 7　Signal of T1 and T2

EPS扭矩傳感器主要檢測加在方向盤的力矩，然后傳遞給控制系統(tǒng)以計算所需的助力。扭矩傳感器是一種非接觸式角位移傳感器，它將輸出通過扭桿裝置連接在一起的上下軸之間的相對變化角，打方向盤時，手力矩驅動上下軸之間有相對轉角，位置量為扭桿剛度。上下軸的相對位移對應的就是上下轉子的相對位移，當沒有相對位移時，下轉子的上下導磁鋼的探頭都是處在S,N磁極中間位置，即磁感應強度零位；當有相對位移時，會引起上導磁鋼探頭接近S極，下導磁鋼接近N極。磁力線N極沿著上導磁鋼探頭進入上導磁鋼，再從上導磁鋼進入下導磁鋼，然后從下導磁鋼回到S極，形成這樣一個封閉回路。處于上下導磁鋼之間的霍爾元件此時監(jiān)測到磁感強度的變化。

傳感器支架的作用是將霍爾元件正確固定在預定位置上，以30°或者150°分布，如圖8所示。扭桿裝置主要是將方向盤側傳遞過來的扭矩轉換成相對角度信號而被扭矩傳感器檢測到。限位線圈主要是將下轉子保持在安裝位置。由于上下轉子與下軸是塑料花鍵壓接在下軸剛體上，下轉子花鍵過盈塑料變形后容易向上滑脫。

圖8　傳感器支架結構圖Fig 8　Structure diagram of sensor holder

2.2霍爾元件

采用線性霍爾元件，利用霍爾原理，隨著磁場變化，輸出電壓與垂直于元件磁場矢量呈線性正比變化[4]。不僅可以放大霍爾電壓，并且可以補償溫度和內部電阻變化對于輸出的影響[5,6]。如圖9所示為霍爾元件基本電路圖。

圖9　基本傳感器線路圖Fig 9　Basic sensor wiring diagram

2.3扭桿裝置

輸入上軸與輸出軸之間主要依靠一種柔性材料鏈接，即為扭桿裝置，如圖10所示。扭桿有一定的扭轉剛度和磁滯特性。扭桿細齒形漸開線花鍵端部結構外直徑d0=(1.15～1.25)d，長度l0=(0.5～0.7)d,為了避免過大的應力集中，應采用過度圓角。扭桿的有效長度為l,d為扭桿有效長度直徑。

圖10　扭桿結構圖Fig 10　Structure diagram of torsion bar

扭桿的扭轉剛度k是扭桿的重要物理量，當其受到扭矩T時，其扭轉的切應力τ和變形角φ分別為

(1)

(2)

式中Ip為慣性矩，Zi抗扭截面系數(shù)。

其扭轉剛度為

(3)

若扭桿材料為SAEJ404,Grade4142號鋼，但其最小抗拉強度為1 032MPa，硬度為34—40HRC，屈服強度為896MPa。

3實驗測試

進行了轉向扭矩功能實驗測試，圖11所示為扭轉角與扭矩關系曲線，其曲線的斜率k值為扭轉剛度。

圖11　扭轉角與扭矩關系曲線Fig 11　Curve of relationship between torsion angle and torque

4結論

EPS扭矩傳感器有很多種，光電式雖然響應速度快，測量精度高，但是對于光碼盤的設計要求特別高[7]。電位計式雖然成本較低，但是測量精度不高，使用壽命短。采用此種非接觸式扭矩傳感器不僅精度高，受環(huán)境影響小，而且符合現(xiàn)今發(fā)展趨勢[8]。采用該扭矩傳感器的設計，不僅可以很好地監(jiān)測扭矩信號，而且具有自診斷功能，更能夠高效地反映EPS的狀態(tài)，對于轉向系統(tǒng)非常有效。

參考文獻:

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[8]林逸,施國標.汽車動力助力轉向技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].公路交通科技，2001，18(3):79-81.

Design of torque sensor for EPS*

WU Zhi-min, WAN Mao-song

(College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

Abstract:As sensing component of electrical power steering(EPS), torque sensor is very important for accuracy of steering.A design of EPS torque sensor is introduced,which collects flux change and converts it into voltage through Hall component,then the voltage value is sent to controller,then converted torque value,calculate power value according to the value converted by the voltage,besides diagnostic function can be achieved by torque signals.

Key words:torque sensor;electrical power steering(EPS);magnetic induction intensity

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0099—03

收稿日期：2015—05—29

*基金項目：江蘇省普通高校學術學位研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX—0886)

中圖分類號:TP 212.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0099—03

作者簡介:

吳志敏(1991-),江蘇高郵人，碩士研究生，主要研究方向為汽車電子控制技術。