轉(zhuǎn)角傳感器零位標(biāo)定模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳顯智

(東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西柳州 545005)

?

轉(zhuǎn)角傳感器零位標(biāo)定模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳顯智

(東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西柳州 545005)

汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)大多依靠方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器來(lái)檢測(cè)方向盤(pán)角度進(jìn)行主動(dòng)回正控制，而轉(zhuǎn)角傳感器在正常工作前需要通過(guò)診斷儀或下線診斷系統(tǒng)等較為復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行零位標(biāo)定。詳細(xì)介紹一種轉(zhuǎn)角傳感器零位標(biāo)定模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并給出該模塊在實(shí)際工作中的應(yīng)用成果。由于這種零位標(biāo)定模塊具有使用簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，對(duì)提高汽車(chē)轉(zhuǎn)角零位標(biāo)定效率有很大幫助。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)角傳感器；零位標(biāo)定

0 引言

目前汽車(chē)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)通常裝配有方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器，通過(guò)計(jì)算方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的位置和轉(zhuǎn)角變化速率來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員的操作意圖， 從而為EPS控制單元提供控制動(dòng)作的依據(jù)，進(jìn)行高速的阻尼控制和低速回正功能調(diào)節(jié)，提升汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高速操縱穩(wěn)定性能和低速轉(zhuǎn)向回正性能。由于轉(zhuǎn)角傳感器在與整車(chē)集成時(shí)存在裝配誤差，同時(shí)車(chē)輛完成裝配后需要進(jìn)行四輪定位，會(huì)造成轉(zhuǎn)角傳感器的初始零位與方向盤(pán)零位存在偏差，需要在完成四輪定位后車(chē)輪轉(zhuǎn)角為零、方向盤(pán)在中位時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器標(biāo)定零位才能確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。一般標(biāo)定零位的設(shè)備有3種：下線診斷設(shè)備、診斷儀、CAN OE 系統(tǒng)，但都價(jià)格昂貴，體積較大，操作復(fù)雜，在工程實(shí)踐中限制較大。文中通過(guò)剖析零位標(biāo)定原理有針對(duì)性地設(shè)計(jì)小巧、簡(jiǎn)易、低廉的零位標(biāo)定模塊，大大提升了工作效率。

1 轉(zhuǎn)角傳感器工作原理

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器基于多種原理，包括光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電阻分壓效應(yīng)等；根據(jù)原始信號(hào)編、解碼方式的不同，轉(zhuǎn)角傳感器可以分為絕對(duì)值轉(zhuǎn)角傳感器和相對(duì)值轉(zhuǎn)角傳感器。當(dāng)前采用較為廣泛的是電磁感應(yīng)式絕對(duì)位置傳感器, 利用永磁體和電子線路來(lái)產(chǎn)生信號(hào),使用的原理包括霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)以及可變磁阻效應(yīng)。這種傳感器需要各種電子線路將傳感器原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合應(yīng)用的信號(hào)形式。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主動(dòng)齒輪、兩個(gè)從動(dòng)齒輪、磁鋼、霍爾傳感器、電路板組成，其工作原理如下: 主動(dòng)齒輪與轉(zhuǎn)向管柱固定連接,主動(dòng)齒輪與兩個(gè)齒數(shù)不同的從動(dòng)齒輪通過(guò)齒輪嚙合,方向盤(pán)一般能繞一個(gè)方向轉(zhuǎn)約3圈；在整個(gè)行程中,為了得到精確的絕對(duì)角度，從動(dòng)輪1、從動(dòng)輪2 、主動(dòng)輪齒數(shù)都不一樣，這樣就能得到兩個(gè)頻率不同的信號(hào)波形如圖2所示；當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，從動(dòng)輪1和從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)過(guò)的角度不一樣，任意一個(gè)角度下兩個(gè)從動(dòng)輪輸出信號(hào)的差值都不同，通過(guò)編寫(xiě)算法進(jìn)行差值運(yùn)算，可以得到角度范圍較廣的與電壓一一對(duì)應(yīng)的線性角度值。

圖1 轉(zhuǎn)角傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙轉(zhuǎn)角信號(hào)和差值運(yùn)算圖

2 轉(zhuǎn)角傳感器零位偏移與標(biāo)定

如圖3所示，轉(zhuǎn)角傳感器與轉(zhuǎn)向管柱、方向盤(pán)、齒輪齒條、橫拉桿和輪胎裝配在一起，由于存在裝配誤差，同時(shí)整車(chē)完成裝配后需要通過(guò)調(diào)整橫拉桿長(zhǎng)度改變車(chē)輪角度以滿(mǎn)足四輪定位參數(shù)，會(huì)造成轉(zhuǎn)角傳感器的初始零位電壓與實(shí)際方向盤(pán)零位存在一定偏差ΔV(見(jiàn)圖4)。該偏差會(huì)嚴(yán)重影響車(chē)輛直線行駛能力和轉(zhuǎn)向回正的精確性，因此需要在完成四輪定位后車(chē)輪轉(zhuǎn)角為零、方向盤(pán)在中位時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后，EPS系統(tǒng)在計(jì)算轉(zhuǎn)角時(shí)將會(huì)加上一個(gè)偏置量ΔV，確保轉(zhuǎn)角信號(hào)與實(shí)際行駛方向一致，EPS系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。

圖3 轉(zhuǎn)角傳感器安裝示意圖

圖4 轉(zhuǎn)角信號(hào)偏移

轉(zhuǎn)角傳感器集成在EPS系統(tǒng)內(nèi)部，零位的標(biāo)定一般由診斷設(shè)備與EPS控制器進(jìn)行，間接完成轉(zhuǎn)角傳感器的零位標(biāo)定工作。標(biāo)定零位一般采用診斷儀，具體步驟如下：接通診斷儀→進(jìn)入診斷程序→選擇對(duì)應(yīng)車(chē)型→選擇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)→點(diǎn)擊讀取故障代碼→點(diǎn)擊清除故障代碼→點(diǎn)擊零位標(biāo)定→等待正確響應(yīng)→標(biāo)定結(jié)束?？梢钥闯霾捎迷\斷儀標(biāo)定零位步驟相當(dāng)繁瑣，而且診斷儀集成了所有電控類(lèi)系統(tǒng)的診斷程序，響應(yīng)較慢，一般需要5 min才能完成零位標(biāo)定，效率低下。根據(jù)CAN通信診斷原理，診斷設(shè)備滿(mǎn)足以下兩部分條件便可具備零位標(biāo)定能力：(1)硬件部分滿(mǎn)足《ISO-11898 CAN道路車(chē)輛 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)》物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)規(guī)定，具備符合標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信能力；(2)軟件依據(jù)《ISO 15765-1-2004 道路車(chē)輛 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)診斷》的要求(如圖5所示)發(fā)送和接受CAN報(bào)文?；谝陨戏治?，針對(duì)性地設(shè)計(jì)相關(guān)電路，編寫(xiě)程序，通過(guò)CAN總線向EPS發(fā)送零位標(biāo)定的診斷代碼，并且得到EPS的正確響應(yīng)后，便可完成零位標(biāo)定。

圖5 診斷儀通信示意

3 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)零位標(biāo)定模塊系統(tǒng)框圖如圖6所示，包含電源電路、微處理器、CAN收發(fā)器、藍(lán)牙模塊以及兩個(gè)按鍵與指示燈。

圖6 系統(tǒng)框圖

電源芯片采用AS1015,將車(chē)載12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V供零位標(biāo)定模塊使用。該電源芯片具有穩(wěn)壓和抗干擾功能，最大輸入電壓25 V,輸出電壓在3.6～23 V內(nèi)可調(diào)，最大輸出電流5 A，耐溫150°，車(chē)輛供電電壓一般在11～14 V 之間，該模塊消耗電流約200 mA，可以滿(mǎn)足供電要求。微處理器采用PIC18F458為主控芯片，它配備16 kB Flash,33個(gè)IO口，40 MHz時(shí)鐘輸入，8路10 b AD、1路PWM、1路SPI、1路IIC、4路定時(shí)器，內(nèi)置CAN2.0B，CAN BUS模塊與CAN收發(fā)器配合使用實(shí)現(xiàn)CAN通信，同時(shí)配備USART模塊與藍(lán)牙模塊配套與手機(jī)APP通信。采用MCP2551收發(fā)器支持1 MB/s的運(yùn)行速率，滿(mǎn)足ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)物理層要求，可連接節(jié)點(diǎn)高達(dá)112個(gè)，具有短路保護(hù)、高壓瞬態(tài)保護(hù)功能，具有較強(qiáng)的抗噪特性。采用BLK-MD-BC04-B 主從一體式藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP通信，其內(nèi)置英國(guó)CSR公司的BlueCore4-Ext芯片，工作電壓5 V，體積小、功耗低、收發(fā)靈敏度性高，支持UART接口,波特率默認(rèn)9 600。零位標(biāo)定模塊主要電路原理圖詳見(jiàn)圖7。

圖7 部分電路原理

4 程序設(shè)計(jì)

流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

將模塊接通診斷口后，系統(tǒng)上電，對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行初始化設(shè)置；初始化完成后，當(dāng)收到CAN信號(hào)后立即進(jìn)入中斷，如果收到EPS相關(guān)報(bào)文則判斷系統(tǒng)通信正常，對(duì)RC1取反，通信指示燈閃爍，反之未收到EPS報(bào)文，RC1針腳保持低電平，通信指示燈未被點(diǎn)亮表明通信失敗。在通信正常狀態(tài)下，通過(guò)循環(huán)查詢(xún)方式監(jiān)測(cè)到標(biāo)定按鍵(RC0)按下后開(kāi)始向EPS發(fā)送讀故障碼指令的CAN通信報(bào)文，得到正確響應(yīng)后，發(fā)送標(biāo)零位指令報(bào)文，得到積極響應(yīng)后發(fā)送清故障碼指令報(bào)文，得到積極響應(yīng)后，拉高RD1針腳電壓點(diǎn)亮標(biāo)定指示燈(RD1)，表明整個(gè)零位標(biāo)定結(jié)束。當(dāng)查詢(xún)到讀取數(shù)據(jù)按鈕(RD0)按下后，將接收到的16進(jìn)制轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)乘以分辨率得到方向盤(pán)角度，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行ASCII碼轉(zhuǎn)換通過(guò)藍(lán)牙串口模塊發(fā)送出去，手機(jī)APP接收到轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)后會(huì)顯示此刻的轉(zhuǎn)角值以便核對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角。

主要程序如下：

CAN中斷部分程序：

void interrupt HI_ISR(void)

{

if((RXB0IF == 1)&&(RXB0IE == 1)) //接收到從CAN總線發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)

{

CANreceive_flag = 1;//CAN接收標(biāo)識(shí)置位

if((RXB0SIDH==EPSIDH)&&(RXB0SIDL==EPSIDL) //接收到EPS數(shù)據(jù)報(bào)文

{

PORTD=～PORTD;// PORTD取反

}

if((RXB0SIDH==SASIDH)&&(RXB0SIDL==SASIDL)) //接收到轉(zhuǎn)角報(bào)文

{

if(RD0 == 0) //如有S2按鍵按下

{

put_data_int10 (STEERING_ANGLE); //發(fā)送轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)

}

}

if((RXB0SIDH==EPS_DiaIDH)&&(RXB0SIDL==EPS_DiaIDL)) //接收到EPS診斷報(bào)文

{

if(RXB0D1 == Trim_Flag) //如果成功標(biāo)定零位

{

RC1 = 1; //點(diǎn)亮L0

}

}

}

}

主程序部分

void main(void)

{

Initial(); //IO口初始化

InitUSART(); //串口初始化

InitTMR0(); //定時(shí)器0初始化

InitCAN(); //內(nèi)部CAN寄存器設(shè)置初始化

IPEN = 1; //使能中斷優(yōu)先級(jí)

INTCON |= 0xC0; //開(kāi)放所有高低優(yōu)先級(jí)中斷

for(;;)

{

if(RC0 == 0) //如有S2按鍵按下

{

RC1 = 1; //點(diǎn)亮L0

DelayNmSec(10); //延時(shí)500 ms

while(RC0 == 0); //等待S2按鍵釋放

RC1 = 0; //熄滅L0

CANSendFrame(0X04,0X31,0X02,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00);//清除零位

DelayNmSec(500); //延時(shí)500 ms

CANSendFrame(0X04,0X31,0X02,0X00,0XFF,0X00,0X00,0X00); //標(biāo)定零位

DelayNmSec(500); //延時(shí)500 ms

CANSendFrame(0X03,0X14,0X50,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00); //清除故障碼

}

}

}

5 標(biāo)定過(guò)程分析

將零位標(biāo)定模塊接到車(chē)輛診斷接口后，通信指示燈閃爍，說(shuō)明CAN通信正常，可以進(jìn)行零位標(biāo)定，只要按下標(biāo)零按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送標(biāo)定零位代碼，等待約2 s標(biāo)定指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)車(chē)輛儀表上的EPS故障燈熄滅，表明轉(zhuǎn)角傳感器零位標(biāo)定成功。當(dāng)需要對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，只要按下讀取按鈕，可在手機(jī)藍(lán)牙串口APP上讀取實(shí)時(shí)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角。零位標(biāo)定模塊工作示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 零位標(biāo)定模塊工作圖

6 結(jié)束語(yǔ)

采用這種零位標(biāo)定模塊，其質(zhì)量、體積僅有診斷儀的1/20，整個(gè)零位標(biāo)定過(guò)程可以在10 s之內(nèi)完成，而診斷儀通常需要5 min以上，大大提高了效率。由于其體積很小，方便攜帶，操作簡(jiǎn)單，無(wú)須培訓(xùn)，任何設(shè)計(jì)人員都可以操作，目前已在實(shí)際工程開(kāi)發(fā)中廣泛使用，相對(duì)其他標(biāo)定零位設(shè)備具有相當(dāng)顯著的優(yōu)勢(shì)。

【1】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.

WANG J,YANG S B,GUO X X.Design and Algorithm Research of Angle Sensor for Vehicle Steering Wheel[J].Journal of Hubei Automotive Industries Institute,2011,25(1):19-21.

【2】張皆喜,王茂凌,張瑜.PIC系列單片機(jī)C語(yǔ)言編程與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

【3】孫江宏，李良玉.PROTEL 99SE電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

【4】李寧.Android開(kāi)發(fā)權(quán)威指南[M].北京:人民郵電出版社,2013.

Angle Sensor Zero Calibration Module Design

WU Xianzhi

(Dongfeng Liuzhou Mortor Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545005,China)

Electric power steering system mostly relies on steering wheel angle sensor to detect the steering wheel angle, and the angle sensor needs to be calibrated by an external device before normal work. A design method of zero position calibration module for angle sensor was introduced, and the application results in practical work was given.The results show that the zero position calibration module is simple and efficient.It is helpful to improve the car corners zero calibration efficiency.

EPS;Angle sensor;Zero position calibration

2016-07-26

吳顯智,男，本科，從事電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究。E-mail:dflz_wxz@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.008

U463.4

A

1674-1986(2016)10-037-04