轉(zhuǎn)向扭矩傳感器淺析

姜姍姍 姜楠 韓小鵬

摘 要：本文系統(tǒng)介紹了應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器分類(lèi)、工作原理，同時(shí)闡述了關(guān)鍵性能指標(biāo)及各個(gè)指標(biāo)的一般要求。并從傳感器的角度匹配和輸出電壓與扭桿關(guān)系兩個(gè)角度探討了傳感器與EPS系統(tǒng)的匹配性，對(duì)后續(xù)扭矩傳感器的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：扭矩傳感器 工作原理 性能指標(biāo)

Abstract：This article systematically introduces the classification and working principle of torque sensors used in electric power steering systems， and at the same time expounds the key performance indicators and the general requirements of each indicator. And from the perspective of sensor matching and the relationship between output voltage and torsion bar， the matching of the sensor and EPS system is discussed， which has guiding significance for the development of subsequent torque sensors.

Key words：torque sensor， working principle， performance index

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)英文全稱(chēng)Electronic Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS。EPS是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入信號(hào)，通過(guò)電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本策略如圖1所示，可見(jiàn)其所有基本控制模塊均需要輸入方向盤(pán)力矩信號(hào)。

方向盤(pán)力矩信號(hào)是通過(guò)扭矩傳感器來(lái)獲取。本文將對(duì)應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器的分類(lèi)、工作原理、性能指標(biāo)及系統(tǒng)匹配展開(kāi)闡述。

1 扭矩傳感器概述

傳感器是根據(jù)規(guī)定的被測(cè)量的大小，定量提供有用的電輸出信號(hào)的部件，狹義來(lái)講，傳感器就是把光、時(shí)間、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變換器。

應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器就是通過(guò)特定的敏感元件，將轉(zhuǎn)矩物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并集成有信號(hào)處理電路的變換器，如圖2所示。

扭矩傳感器與扭桿組裝在一起構(gòu)成扭矩傳感器總成，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭桿與扭矩傳感器的上半部分和下半部分存在一個(gè)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角，扭矩傳感器就是通過(guò)檢測(cè)這個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量方向盤(pán)力矩的。如圖3所示。

2 分類(lèi)

按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類(lèi)可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器，如表1所示。

接觸式傳感器由于傳感元件之間一直存在滑動(dòng)摩擦，因此在使用過(guò)程中容易受到磨損老化，出現(xiàn)測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確甚至報(bào)錯(cuò)的情況。這種類(lèi)型的傳感器已經(jīng)逐漸被淘汰，非接觸式傳感器成為市場(chǎng)主流。

本文主要介紹應(yīng)用較為廣泛的非接觸式扭矩傳感器：霍爾式扭矩傳感器。

3 工作原理

該扭矩傳感器通過(guò)霍爾效應(yīng)在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。主要由定子分總成、轉(zhuǎn)子分總成、上端蓋、下端蓋、集磁極、Hall IC組成。轉(zhuǎn)子由多級(jí)磁鐵組成，固定在輸入軸上，主要是提供磁場(chǎng)。定子上裝有磁軛（導(dǎo)磁率比較高的金屬材料），固定在下端蓋上，下端蓋與殼體固定。當(dāng)方向盤(pán)向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得上下磁軛與多級(jí)磁鐵發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，磁通量從N極至S極，Hall IC接收到磁通。如果轉(zhuǎn)子與定子反方向相對(duì)位移，Hall IC也接收反向的磁通。磁通的變化經(jīng)過(guò)霍爾IC 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化，從而測(cè)量出相應(yīng)的扭矩大小和方向。如圖4所示。

當(dāng)方向盤(pán)在中間位置時(shí)，磁通量為零。當(dāng)方向盤(pán)左轉(zhuǎn)（+4.5°），磁通量高斯值為550（示例）。當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)（-4.5°），磁通量反向，高斯值為-550（示例），如圖5所示。

4 性能指標(biāo)

4.1 直線(xiàn)度

傳感器輸出量（電壓）與輸入量（扭矩）之間的實(shí)際關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度。一般要求：≤±2%。

4.2 遲滯

在測(cè)試行程內(nèi)所有測(cè)試位置來(lái)回電壓的差值。一般要求：≤1%。

4.3 電壓波動(dòng)

安裝完成的EPS產(chǎn)品，360°旋轉(zhuǎn)輸出軸，傳感器信號(hào)的電壓變化。一般要求：0.08V（max）。

4.4 中位電壓

判斷轉(zhuǎn)向管柱是否受到轉(zhuǎn)向力的作用。中位電壓：2.50V。

5 傳感器與EPS系統(tǒng)的匹配性

5.1 傳感器的角度匹配

（a）機(jī)械限位角度。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時(shí)，限位機(jī)構(gòu)無(wú)法再相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)限位機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的角度稱(chēng)為機(jī)械限位角度。

（b）傳感器有效角度。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時(shí)，是指?jìng)鬟f給ECU的信號(hào)中，產(chǎn)生有效助力的那部分信號(hào)，稱(chēng)為有效機(jī)械角度。

c、傳感器的角度匹配

在設(shè)計(jì)總成和生產(chǎn)裝配時(shí)，必須保證：機(jī)械限位角度>傳感器有效角度。

5.2 傳感器輸出電壓和扭桿的關(guān)系

傳感器的輸出電壓最終是被ECU控制器進(jìn)行采集的，而ECU通過(guò)計(jì)算傳感器的電壓信號(hào)，得知駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)扭矩的大小。那么就必須定義傳感器電壓和扭矩之間的關(guān)系。

如果傳感器圖紙中給定的是電壓和角度的關(guān)系，那么就必須確定扭桿的剛度來(lái)最終確定輸出信號(hào)。

5.3 扭桿剛度的計(jì)算

例：已知：U=3.5V;T=7.8Nm;K1=（1/3.5）V/°;

公式：

所以：K2=7.8/3.5;K2=2.23Nm/°

其中：

U：傳感器輸出電壓，單位V;

T：扭矩，單位Nm

K1：傳感器電壓與角度的關(guān)系，單位為V/°，和傳感器的類(lèi)型有關(guān)。

K2：扭桿的剛度，單位為Nm/°，由扭桿的粗細(xì)和長(zhǎng)短來(lái)確定。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的工作原理、性能指標(biāo)和系統(tǒng)匹配等方面進(jìn)行了分析，對(duì)后續(xù)扭矩傳感器的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。