轉向盤轉角傳感器零點標定工具的開發(fā)

黎　　新，張晶峰，張衛(wèi)兵，劉　　寧，鄭志明，汪　　斌（東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢　430057）

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轉向盤轉角傳感器零點標定工具的開發(fā)

黎新，張晶峰，張衛(wèi)兵，劉寧，鄭志明，汪斌
（東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢430057）

摘要：簡介動力轉向系統(tǒng)改型設計、轉向盤轉角傳感器基本原理。詳細介紹轉向盤轉角傳感器零點標定工具的開發(fā)過程，包括軟硬件方案選擇、自定義通信協議、上位機程序原理及試驗驗證。

關鍵詞：動力轉向系統(tǒng)；轉角傳感器；零點標定；USBCAN適配器

東風御風商務車是東風汽車股份有限公司設計制造的一款柴油動力MPV，我司以該車型為基礎開發(fā)了一款代號EA08的純電動MPV。由于這兩款車動力系統(tǒng)不同，導致動力轉向系統(tǒng)需重新開發(fā)；并且由于這兩款車使用同一條生產線完成總裝工藝，所以生產線也需要調整。

1　動力轉向系統(tǒng)改型設計

原車型動力轉向系統(tǒng)為液壓助力，主要由轉向泵、油管 （包括壓力油管、回油管、吸油管等）、動力轉向器和油罐組成［1］。轉向泵由發(fā)動機驅動，新車型取消了發(fā)動機，因此無法沿用原車型的轉向泵。為了盡可能地少改動轉向系統(tǒng)，我們采用了一種結構緊湊的電動轉向泵（圖1）。這種轉向泵將泵本體及其驅動電機集成為一體，并且驅動電機為直流無刷電機，所以必須附加電子換相電路。

圖1　　電動轉向泵

還有兩點需要注意：①助力大小應隨轉向盤轉速和車速變化，駕駛員打轉向盤速度越快，期望助力越大，車速越低助力越大；②轉向盤打死時，如不降低電機轉速，則極易使轉向泵過載損壞。也就是說這種轉向泵除了需要電子換相以外，還需要一個控制裝置根據車速、轉向盤角速度和角度來控制泵的轉速，因此把換相電路和控制裝置整合做成一個轉向泵控制器。這兩個功能需要轉向盤的角速度和角度兩個信號（當然還需要車速信號，由于車速信號非常容易獲得，本文不再贅述），由于角速度可通過角度對時間微分得到，因此只需要在轉向盤下方的轉向管柱上安裝一個轉向盤轉角傳感器即可。

圖2　　轉向盤轉角傳感器

圖2所示的轉向盤轉角傳感器內部構造，主要由

一般認為，轉向盤處于回正位置時對應的轉角為零度，轉向泵控制器也是按這個約定工作的，所以必須保證此時傳感器輸出的CAN報文對應的轉角為零度，否則將導致轉向泵控制器誤判轉向盤位置 （極端情況下，將回正位置誤認為打死位置），從而不能正常工作。也就是說，在生產線上裝配轉向盤轉角傳感器時，必須對其進行調零校準操作才能投入使用。

2　轉向盤轉角傳感器零點標定

調零校準方法有如下兩種：①調整傳感器的安裝位置，直到其輸出的轉角信號為零度為止；②通過標定使轉向盤轉角傳感器輸出的轉角信號為零度。

第①種方法對裝配精度要求較高，要反復調整，費時費力；第②種方法無須調整傳感器的安裝位置，裝配簡單，生產效率高。因此我們采用第②種方法，通過標定轉向盤轉角傳感器的絕對零度位置來實現調零校準 （以下簡稱標零）。具體步驟如下。

1）轉向盤回正，此時傳感器輸出的轉角為X度。

2）向傳感器發(fā)送一幀特定的CAN報文，請求標零。

3）傳感器收到該報文，將X保存到EEPROM存儲器中，并將轉角信號減去X修正后再輸出。

4）發(fā)送一幀應答報文，表示標零已完成。

自定義標零通信協議定義如表1、表2、表3所示。表1是標零工具發(fā)送給轉向盤轉角傳感器的請求報文，表2和表3是轉向盤轉角傳感器發(fā)送給標零工具的應答報文，表2是標零成功應答，表3是標零失敗應答。

表1　請求標零報文格式

表2　轉向盤轉角傳感器應答報文格式 （標零成功）

表3　轉向盤轉角傳感器應答報文格式 （標零失?。?/p>

3　零點標定工具的開發(fā)

由于電動車與柴油車共用一條傳統(tǒng)車的總裝線實施裝配作業(yè)，而總裝線上并沒有標零工序和標零工具，所以必須對生產線進行改造才能應用上述標零方法。標零工具本質上就是一個能夠收發(fā)CAN報文的裝置，以下兩種方案均可：①用單片機、CAN通信芯片設計專用嵌入式系統(tǒng)，編寫固件代碼；②用PC機外接USBCAN適配器搭建硬件系統(tǒng)，編寫上位機程序。

方案①不僅要自行編程，而且還要自行設計、調試硬件電路；方案②中的PC機和USBCAN適配器均為通用設備，無須自行設計硬件。我司總裝線一角如圖3所示，這是總裝線的最后一個工位，該工序掃描條形碼將車輛信息錄入數據庫。這個工位配備工控計算機，非常適合用作標零上位機?？紤]到這些因素，我們采用方案②開發(fā)標零工具。

圖3　　總裝線一角

3.1上位機程序設計

周立功USBCAN適配器提供了大量接口函數供用戶二次開發(fā)［3］，Visual Basic 6.0是微軟推出的一種可視化的、基于對象的高級編程語言，所以我們選擇Visual Basic 6.0調用周立功USBCAN適配器接口函數編制標零上位機程序。

為了便于總裝線上工人操作，程序界面非常簡潔、直觀，如圖4所示，所有參數都已填好默認值，無須編輯修改。程序用到的重要數據結構有VCI_INIT_CONFIG結構體和VCI_CAN_OBJ結構體。VCI_INIT_CONFIG用于保存USBCAN初始化參數，如波特率、驗收碼、屏蔽碼、濾波方式、工作模式等，配置好之后調VCI_InitCAN接口函數，將參數寫入USBCAN設備。VCI_CAN_OBJ結構體代表了一幀CAN報文，填充該結構體，調VCI_Transmit接口函數即可發(fā)送一幀報文，VCI_Receive接口函數負責將USBCAN設備收到的CAN報文填充到該結構體中。

程序關鍵代碼有兩處，分別是 “標零”按鈕單擊事件處理代碼和定時器回調函數，用于發(fā)送標零請求報文和接收應答報文判斷標零是否成功，流程如圖5、圖6所示。

圖4　　標零上位機程序界面

圖5　　標零請求發(fā)送流程

圖6　　判斷標零是否成功的流程

3.2標零工具驗證

在圖3所示的工控機上安裝周立功USBCAN適配器驅動程序和標零上位機程序，將適配器一端通過USB與工控機連接，一端通過OBD與待下線車輛的診斷口連接。單擊 “標零”按鈕，工控機立即發(fā)送一幀標零請求報文給車上的轉向盤轉角傳感器，隨后收到其應答報文，上位機程序界面點亮綠燈，顯示標零成功（圖4）。車輛下線試駕，轉向非常輕盈、靈活自如，說明動力轉向系統(tǒng)工作正常，傳感器標零成功。迄今為止，已有上千臺純電動汽車使用該工具完成標零工序，效果非常好，充分表明了標零工具開發(fā)是成功的。

4　結束語

我司動力轉向系統(tǒng)設計方案選型，對于傳統(tǒng)車一般采用機械式液壓助力，對于電動車一般采用電機助力，而EA08純電動車首次采用了傳統(tǒng)車通常不會配置的電動液壓助力轉向系統(tǒng)，導致傳統(tǒng)車裝配車間無法完成EA08特有的轉向盤轉角傳感器標零工序。我們充分利用車間現有工控計算機和成熟的USBCAN適配器，自行開發(fā)上位機程序解決了這個問題。

參考文獻：

［1]王霄峰.汽車底盤設計［M］.北京：清華大學出版社，2010：351.

［2]王俊，楊勝兵，過學迅.汽車轉向盤轉角傳感器系統(tǒng)設計及算法研究［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2011，25 （1）：19-21.

［3］周立功.USBCAN適配器CAN-bus通用測試軟件及接口函數庫使用手冊2.0［Z］.

（編輯文珍）

中圖分類號：U463.85

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0030－03

收稿日期：2015-06-30；修回日期：2015-07-14

作者簡介：黎新 （1979-），男，湖北通城人，車輛工程博士，從事計算機軟件和汽車電控軟件開發(fā)，主要研究方向為電動汽車電控系統(tǒng)，lixin_ustb@163.com。一個大主動齒輪和兩個齒數不等的小從動齒輪、磁鋼、霍爾元件、單片機、CAN模塊組成。大齒輪隨轉向管柱一起轉動，帶動小齒輪和磁鋼旋轉，利用霍爾效應可以檢測到兩個頻率不同 （因為兩個小齒輪齒數不等）的電壓信號。單片機先對電壓信號進行模數轉換，然后通過計算得到轉向盤的絕對轉角，并通過CAN模塊發(fā)送給轉向泵控制器，具體工作原理請參考文獻［2］。

Development of Zero Calibration Tool for Steering Wheel Angle Sensor

LI Xin，ZHANG Jing-feng，ZHANG Wei-bing，LIU Ning，ZHENG Zhi-ming，WANG Bin
（Commodity Research and Development Institute，Dongfeng Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430057，China）

Abstract：The remodel design of power steering system and the basic principle of steering wheel angle sensor are briefly introduced.The development process of zero calibration tool for steering wheel angle sensor is introduced in details，including the selection of software and hardware，self-defined communication protocol，PC programming principle and test verification.

Key words：power steering system；angle sensor；zero calibration；USBCAN adapter