一款基于CAN總線的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計

溫 偉

（山西中航錦恒科技有限公司，山西 太原 030032）

隨著汽車電控技術(shù)飛速發(fā)展，以及人們對汽車駕駛方面的舒適、穩(wěn)定、安全等要求的提高，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）成為汽車的標配，轉(zhuǎn)角傳感器作為系統(tǒng)的重要組成部分，一般安裝在方向盤下部，提供方向盤角度位置和角度變化率，作為ESP和EPS控制單元動作的依據(jù)之一。轉(zhuǎn)角傳感器主要分為接觸和非接觸式兩類，非接觸類中有磁電式轉(zhuǎn)角傳感具有精度高、抗干擾性強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，該款轉(zhuǎn)角傳感器選擇巨磁阻傳感器方式來實現(xiàn)。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于一個GMR傳感器僅能在360°范圍內(nèi)進行測量，無論對商用車還是乘用車來說，都無法滿足方向盤轉(zhuǎn)動角度的測量。為解決測量量程的問題，采用兩片傳感器芯片90齒主動大齒輪A，以及兩個齒數(shù)不相同的從動小齒輪B和C，分別為30齒和26齒，可測量角度范圍為±780°。

轉(zhuǎn)角傳感器由上殼體、下殼體、主動大齒輪、兩個從動小齒輪、兩片磁鋼、箍環(huán)、PCB板組成。主動大齒輪分別和兩個從動小齒輪嚙合，從動小齒輪中心固定兩片徑向充磁的圓柱形磁鐵，磁鐵正上方是固定在線路板上的兩片巨磁阻傳感器；3個齒輪由箍環(huán)固定，使3個齒輪組成一個整體，可有效減小零件間的間隙導(dǎo)致的測量誤差。

轉(zhuǎn)角傳感器一般和時鐘彈簧一起安裝在方向盤轉(zhuǎn)角管柱上，當方向盤轉(zhuǎn)動時，由時鐘彈簧撥動主動大齒輪A，大齒輪A帶動兩個從動的小齒輪B和C轉(zhuǎn)動，兩個從動小齒輪中間安裝的徑向充磁的磁鋼，隨著從動小齒輪B和C轉(zhuǎn)動，磁鋼周圍的磁場方向發(fā)生變化，通過磁鋼正上方的兩個GMR傳感器將磁場變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，MCU通過SPI接口讀取信號，讀取flash中存儲的標定數(shù)據(jù)，通過標定數(shù)據(jù)和讀取到的tle5012B數(shù)據(jù)計算出兩個從動小齒輪的角度信息，通過算法計算出方向盤的絕對位置轉(zhuǎn)角，結(jié)合使用之前所置的0位，得到當前方向盤轉(zhuǎn)過的角度和方向，通過CAN總線發(fā)送到ECU。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 傳感器硬件設(shè)計

硬件平臺框圖如圖2所示。

圖2 硬件平臺框圖

2.1 傳感器模塊

選用汽車級應(yīng)用的高精度角度測量芯片TLE5012B，用來感應(yīng)從動小齒輪轉(zhuǎn)動時磁場強度的變化，并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸出給MCU，如圖3所示。

圖3 傳感器模塊

TLE5012B集成了2個GMR全橋，2個GMR-ADC單元，1個溫度傳感器，1個DSP單元，數(shù)據(jù)更新率可達43μs，磁場感應(yīng)范圍30～50mT，溫度范圍-40～150℃，1個SPI通信接口，16bit精度正余弦，數(shù)字傳輸接口可有效地提高抗干擾度。圖4為TLE5012B內(nèi)部框圖。

圖4 TLE5012B內(nèi)部框圖

2.2 MCU模塊

微控制單元選擇Microchip公司生產(chǎn)的28腳封裝的8位低功耗高性能單片機PIC18F25K83，可用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。

芯片自帶的時鐘模塊可提供最高64MHz的工作頻率，32KB flash程序存儲空間、2KB SRAM、1KB EEPROM，包含豐富的外設(shè)接口 （CAN、SPI、I2C、UARTs、LIN、DMX等通信外設(shè)，4路12bit AD，4路10bit PWM等）。工作溫度范圍-40～125℃。

2.3 電源模塊

MCU、GMR傳感器及CAN芯片所需5V工作電壓由電源芯片TLE42694提供。原理圖如圖5所示。

輸入電壓-42～45V，輸出電壓5V±2%，最大輸出電流150mA，具有溫度保護、反接保護、輸出限制等特性，工作溫度范圍-40～125℃。

2.4 CAN通信及調(diào)試模塊

控制單元內(nèi)置CAN控制器，總線數(shù)據(jù)的封裝、讀取發(fā)送由控制器完成，與總線上連接需外接CAN總線收發(fā)器，選用TLE6250G。CAN通信接口電路圖如圖6所示，調(diào)試接口電路圖如圖7所示。

3 傳感器軟件設(shè)計

圖5 原理圖

圖6 CAN通信接口電路圖

將齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為方向盤轉(zhuǎn)動的角度和角速度，需要通過軟件來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)角傳感器軟件主要由傳感器數(shù)據(jù)采集單元、絕對角度計算單元、標定計算單元、零位處理單元、數(shù)據(jù)處理及通信單元、診斷單元這幾部分構(gòu)成。其中各單元的數(shù)據(jù)傳遞都需要診斷單元的配合，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。最后處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)過通信單元按照約定好的數(shù)據(jù)協(xié)議和整車進行數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)角傳感器的功能。軟件總流程如圖8所示。

當主動齒輪轉(zhuǎn)動時，兩個從動齒輪的轉(zhuǎn)動位置滿足圖9上的位置關(guān)系，-780°到0的范圍內(nèi)差值唯一，0到780°范圍內(nèi)的差值唯一，但兩個區(qū)域范圍直線相位相差180°，通過固定差值和相位差180°，計算出主動齒輪的轉(zhuǎn)動角度和角速度θ=f（α，β）。

圖7 調(diào)試接口電路圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試軟件如圖10所示。所有測試圍繞轉(zhuǎn)角傳感器主要參數(shù)指標進行，具體參數(shù)指標如圖11所示。

圖8 軟件總流程

圖9 大齒輪輸出角度與小齒輪角度之間關(guān)系曲線

圖10 測試軟件

任何傳感器由于設(shè)計、元器件選型、生產(chǎn)制造等因素的影響，都存在一定的誤差，對本傳感器主要進行角度精度、角速度精度、非線性誤差、遲滯誤差、零位變化的測試，測試結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖11 主要參數(shù)指標

圖12 角度誤差分析圖

圖13 非線性誤差分析圖

圖14 遲滯誤差分析圖

圖15 角速度誤差分析圖

5 結(jié)束語

通過機械結(jié)構(gòu)、軟硬件的實現(xiàn)、測試結(jié)果的分析，該傳感器可為不同部件提供準確的角度、角速度信息，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及精度高的優(yōu)點，可在各類車型上廣泛推廣應(yīng)用。