非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測算法的研究

牛勃，馬新軍，江龍，鐘乾元，張宏軍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測算法的研究

牛勃，馬新軍，江龍，鐘乾元，張宏軍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

提出了基于角度傳感器檢測量程與游標(biāo)原理算法檢測量程為周期的分段函數(shù)算法。與傳統(tǒng)非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器游標(biāo)原理算法進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)其角度檢測范圍與分辨率等方向盤轉(zhuǎn)角傳感器指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。搭建了角度試驗(yàn)臺(tái)架以及相應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器樣機(jī)。臺(tái)架試驗(yàn)表明：該算法提高了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測精度，實(shí)現(xiàn)了其檢測量程與檢測精度的解耦，為實(shí)現(xiàn)更高的控制精度與可靠性提供了可能。

非接觸式；方向盤轉(zhuǎn)角傳感器；分段函數(shù)算法

隨著人們對(duì)汽車行駛中安全性、舒適性等的不斷追求，電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability System, ESP）、高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driver Assis?tance Systems,ADAS）等智能控制系統(tǒng)在國內(nèi)外各種中高級(jí)轎車中得到了廣泛應(yīng)用。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的輸出角度信號(hào)作為上述智能控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入源，其檢測量程、檢測精度以及相應(yīng)的檢測可靠性的要求越來越高。目前，高精度、大量稱方向盤轉(zhuǎn)角傳感器主要通過光柵編碼器來進(jìn)行設(shè)計(jì)，該種設(shè)計(jì)方案具有較低的性價(jià)比，不僅提高了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的生產(chǎn)成本，同時(shí)其檢測的可靠性較易受外界灰塵、振動(dòng)等的干擾［1-3］?；诖?，通過對(duì)三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)所采用游標(biāo)原理算法的研究，提出了基于不同周期的分段函數(shù)算法，實(shí)現(xiàn)了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦，提高了其檢測精度，同時(shí)在不改變齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)其檢測量程進(jìn)行擴(kuò)展。

1 磁阻式角度傳感器概述

磁阻式角度傳感器作為游標(biāo)原理算法的角度檢測芯片，其檢測原理基于磁電阻效應(yīng)，通過一系列納米級(jí)厚度的磁性多層膜疊加而成。在外界磁場的感應(yīng)下，磁性多層膜的磁性阻值將會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而可以遠(yuǎn)離被測物體，實(shí)現(xiàn)非接觸式角度測量。相應(yīng)的磁阻式角度傳感器檢測芯片有MC9S08DZ60、TLE5012等［4-6］，而汽車工業(yè)中應(yīng)用最多的檢測芯片為英飛凌的TLE5010、TLE5012，相應(yīng)的工作原理圖如圖1所示［7］。

圖1 磁阻式角度傳感器工作原理

由圖1知角度傳感器由搭建為惠斯通電橋的GMRX、GMRY兩部分組成，該種設(shè)計(jì)方案不僅可以使輸出模擬信號(hào)幅值增大1倍，同時(shí)還可以抵消一部分外界環(huán)境干擾對(duì)其檢測精度的影響。隨著外界旋轉(zhuǎn)磁場的變化，磁阻式角度傳感器將在VX和VY端輸出與旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的正余弦模擬信號(hào)。相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為

式中：α為磁場旋轉(zhuǎn)角度；VY為正弦信號(hào)輸出；VX為余弦信號(hào)輸出。由式（1）知磁阻式角度傳感器的檢測量程為-180°～+180°，不能夠?qū)Ψ较虮P的全量程旋轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測。目前主要通過三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的游標(biāo)原理算法來對(duì)其檢測量程進(jìn)行擴(kuò)展［5-8］。

2 游標(biāo)原理算法

游標(biāo)原理算法通過三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)與磁阻式角度傳感器來對(duì)方向盤轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中測量齒輪B與測量齒輪C分別內(nèi)嵌一顆徑向分布的柱形磁鋼并與主齒輪齒合，在磁鋼下方正對(duì)貼有角度傳感器的PCB電路板。當(dāng)主齒輪A旋轉(zhuǎn)時(shí)，拖動(dòng)測量齒輪B與測量齒輪C以相同的線位移旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)過程中，測量齒輪B與測量齒輪C的輸出角度信號(hào)如圖3所示［9］。

圖2 三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 游標(biāo)算法原理圖

由圖3知：游標(biāo)原理算法在一個(gè)檢測量程內(nèi)，測量齒輪B與測量齒輪C的檢測信號(hào)差值與主齒輪A的旋轉(zhuǎn)角度之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)主齒輪A、測量齒輪B和測量齒輪C的齒數(shù)分別為ma，mb和mc，且滿足ma>mb>mc。當(dāng)主齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)行程為n圈時(shí)，測量齒輪B與測量齒輪C分別旋轉(zhuǎn)了nma/mb圈和nma/mc圈。由于檢測量程與測量齒輪檢測信號(hào)差值之間的線性關(guān)系，主齒輪與測量齒輪的齒數(shù)滿足：

對(duì)式（2）整理可得

由式（3）知：在傳統(tǒng)的游標(biāo)原理算法中，若三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，則方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程也唯一確定。

除此之外，游標(biāo)原理算法隨著檢測量程的增大，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測精度也會(huì)線性下降。設(shè)磁阻式角度傳感器的最大理論誤差為±Δmax，通過游標(biāo)原理算法的差值關(guān)系會(huì)使檢測誤差放大為±2Δmax。若方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的角度檢測量程為?，則方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的最大理論檢測誤差為

由式（4）知采用游標(biāo)原理算法設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的輸出精度會(huì)隨著檢測量程的增加而成比例地下降。為了解決上述游標(biāo)原理算法檢測量程與檢測精度之間的關(guān)系問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測量程的可調(diào)，在三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)與游標(biāo)原理算法的基礎(chǔ)上，提出了下述基于角度傳感器檢測量程與游標(biāo)原理算法檢測量程為周期的分段函數(shù)算法，使方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程與檢測精度之間實(shí)現(xiàn)解耦。

3 分段函數(shù)算法

通過對(duì)游標(biāo)原理算法的分析知：該算法的角度偏差高于2倍的磁阻式角度傳感器理論誤差，且隨著檢測量程的增加，檢測精度會(huì)出現(xiàn)線性的下降。為真實(shí)地反應(yīng)磁阻式角度傳感器的檢測精度以及靈活地對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程進(jìn)行擴(kuò)展，提出了基于角度傳感器檢測量程與游標(biāo)原理算法檢測量程為周期的分段函數(shù)算法。其中基于角度傳感器檢測量程為周期分段函數(shù)主要是確定測量齒輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，其中相應(yīng)圈數(shù)可靠性見圖4。

圖4 檢測可靠性流程圖

圖4中nB和nC分別為測量齒輪B與測量齒輪C的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，在沒有外界電磁等干擾的情況下兩者滿足nC>nB的不等式關(guān)系。從流程圖4可知：當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器第1次上電，角度傳感器的圈數(shù)寄存器與游標(biāo)原理算法所得圈數(shù)值相同，只需采用游標(biāo)原理算法對(duì)測量齒輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)進(jìn)行計(jì)算，之后利用2個(gè)測量齒輪的差值關(guān)系來對(duì)檢測到的圈數(shù)進(jìn)行校正，保證其輸出圈數(shù)的準(zhǔn)確性；若不是方向盤轉(zhuǎn)角傳感器第1次上電，此時(shí)，上述2種圈數(shù)計(jì)算方法所得值會(huì)發(fā)生不到1圈的偏差，而游標(biāo)原理算法的圈數(shù)檢測范圍有限，從而需要通過游標(biāo)原理算法與磁阻式角度傳感器相關(guān)寄存器值的共同作用來確定轉(zhuǎn)向軸的實(shí)際旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，保證所計(jì)算測量齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的可靠性。

設(shè)?1和?2為方向盤轉(zhuǎn)角傳感器某一時(shí)刻相對(duì)機(jī)械零點(diǎn)位置的角度，相應(yīng)的分段函數(shù)為

式中：β1和β2為此時(shí)相應(yīng)測量齒輪所檢測到的角度值。由于汽車所特有的電磁、振動(dòng)等環(huán)境對(duì)檢測信號(hào)的干擾，從而對(duì)式（5）所采集到的角度信號(hào)進(jìn)行均值處理，使其更好地收斂在角度傳感器原始的檢測精度以內(nèi)，具體表達(dá)式為

由于不同等級(jí)車型對(duì)方向盤的檢測量程有不同的要求，在上述分段函數(shù)的基礎(chǔ)上，本文中通過以游標(biāo)原理算法檢測量程為周期的分段函數(shù)來對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程進(jìn)行擴(kuò)展。

游標(biāo)原理算法通過調(diào)整主齒輪與測量齒輪齒數(shù)的關(guān)系來擴(kuò)展方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程，但由式（4）可知，其檢測精度與檢測量程成反比，從而對(duì)式（5）的檢測周期進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程與檢測精度之間的解耦。相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式為

式中：?=0°°表示方向盤處于機(jī)械零點(diǎn)位置，而?>0°°表明此時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向向右，反之向左。其中K為游標(biāo)原理算法的檢測斜率，T為量程擴(kuò)展的周期，可以隨著檢測量程需求的變化而進(jìn)行調(diào)整。與式（7）對(duì)應(yīng)的分段函數(shù)見圖5。

由圖5知：采用游標(biāo)原理算法檢測量程為周期的分段函數(shù)的檢測量程為游標(biāo)原理算法檢測量程的2倍及以上，且其檢測精度不會(huì)隨著檢測量程的增加而成比例地線性下降。相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)過程為當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器通過上位機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)位置標(biāo)定后，實(shí)時(shí)對(duì)其輸出角度信號(hào)進(jìn)行分析，判斷10 ms的角度更新周期內(nèi)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器所檢測的角度信號(hào)是否發(fā)生大范圍的躍變。若發(fā)生游標(biāo)原理算法檢測量程之間的躍變，則對(duì)測量齒輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行如式（8）的分析：

圖5 量程擴(kuò)展原理圖

若式（8）成立，則此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程為原有檢測量程的2倍，相應(yīng)的量程擴(kuò)展流程圖如圖6所示。由圖6知：量程擴(kuò)展為在圖4檢測可靠性流程圖的基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)的檢測周期是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生大范圍的變化來更新式（7）的分段函數(shù)周期，從而實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測量程的擴(kuò)展。

圖6 量程擴(kuò)展流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)所提分段函數(shù)算法與傳統(tǒng)游標(biāo)原理算法在檢測精度與檢測量程等性能進(jìn)行對(duì)比分析，以及對(duì)分段函數(shù)算法的角速度檢測范圍與分辨率等方向盤轉(zhuǎn)角傳感器指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了如圖7所示的PCB，對(duì)應(yīng)的電路原理框圖如圖8所示。

圖7 硬件PCB圖與實(shí)物圖

圖8 硬件原理框圖

為了更好地與現(xiàn)有游標(biāo)原理算法相關(guān)產(chǎn)品方向盤轉(zhuǎn)角傳感器進(jìn)行對(duì)比，采用了BOSCH LWS5的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及同系列的角度傳感器TLE5012B，相應(yīng)的磁阻式角度傳感器的檢測精度與齒輪齒數(shù)關(guān)系為45，15，13。簡要的檢測原理為通過TLE4269將車載12V電源降到8位單片機(jī)STM8AF5288的5 V工作電源，接著單片機(jī)以10 ms為周期與TLE5012B以SPI方式進(jìn)行通信，之后通過TJA1050以CAN報(bào)文的形式發(fā)送到上位機(jī)，從而對(duì)分段函數(shù)算法的檢測精度與檢測量程進(jìn)行分析。為了對(duì)所設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器樣機(jī)的檢測精度進(jìn)行分析，從而選擇了10000線的光柵編碼器，相應(yīng)的最終方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)圖見圖9。

從圖9的檢測系統(tǒng)知高精度光柵編碼器與所設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器樣機(jī)采用同軸固定，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使兩者實(shí)現(xiàn)同軸旋轉(zhuǎn)，保證所設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器對(duì)轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)角度檢測的可靠性。最后通過CAN/USB轉(zhuǎn)換器將檢測到的角度信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，來對(duì)分段函數(shù)算法的可靠性以及檢測精度進(jìn)行驗(yàn)證［10］。

圖9 方向盤轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)

通過對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器硬件以及相應(yīng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終可得如表1所示的檢測結(jié)果：1）分段函數(shù)算法的檢測精度較游標(biāo)原理算法檢測精度高。其中前者的檢測精度可以達(dá)到±1°，后者的檢測精度為±2.5°，部分點(diǎn)的偏差達(dá)到4.14°，需要通過較高數(shù)據(jù)處理能力的單片機(jī)來對(duì)齒輪齒合、滯環(huán)等非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償［11-12］。2）分段函數(shù)算法實(shí)現(xiàn)了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測量程與檢測精度之間的解耦。不需要通過調(diào)整齒輪之間的齒數(shù)的關(guān)系即可調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的檢測量程。

表1 檢測數(shù)據(jù) （°）

通過圖9檢測系統(tǒng)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試，所設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器在分段函數(shù)算法基礎(chǔ)上達(dá)到的檢測性能與現(xiàn)有產(chǎn)品的對(duì)比如表2所示。由表2的檢測性能對(duì)比可知：分段函數(shù)在角度檢測范圍以及角度精度等反應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的指標(biāo)上較現(xiàn)有北京恒潤、博世以及伯恩斯等廠家具有一定的優(yōu)勢。除此之外，實(shí)驗(yàn)室采用博世LWS5的三齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，選用的8位MCU具有較高的性價(jià)比。

表2 檢測性能對(duì)比 （°）

5 結(jié)論

通過對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器游標(biāo)原理算法的分析提出基于不同分段周期的分段函數(shù)算法。經(jīng)過臺(tái)架驗(yàn)證，其不僅提高了檢測精度，實(shí)現(xiàn)了檢測量程與檢測精度的解耦，同時(shí)具有較高的性價(jià)比，為實(shí)現(xiàn)更高的控制精度與可靠性提供了可能；滿足后續(xù)ESP、ADAS等智能汽車電子系統(tǒng)的要求，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Algorithm of Non-contact Steering Wheel Angle Sensor Detection

Niu Bo,Ma Xinjun,Jiang Long,Zhong Qianyuan,Zhang Hongjun
（Shenzhen Graduate School,Harbin Institute of Technology,Shenzhen 518055,China）

The piecewise function algorithm based on the cycle of angular sensor detection range and ver?nier principle algorithm detection range was proposed.The algorithm was compared with the traditional non-contact vernier algorithm,and the steering wheel angle sensor indicators of the angular velocity de?tection range,resolution and so on were verified.The experimental prototype of the steering wheel angle sensor was set up.The bench test shows that the piecewise function algorithm improves the detection precision of the steering wheel angle sensor,realizes the decoupling between the detection range and the detection precision,and makes it possible to realize higher control accuracy and reliability.

non-contact;steering wheel angle sensor;piecewise function algorithm

U463.43

：A

：1008-5483（2016）04-0018-06

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.04.005

2016-06-10

牛勃（1989-），男，陜西榆林人，碩士，工程師，從事電力電子研究。E-mail：nbblackdog@163.com

馬新軍（1972-），男，新疆石河子人，副教授，從事汽車電子ECU研究。E-mail：maxj@hitsz.edu.cn