（光学工程专业论文）eps用转矩转角传感器的研究.pdf

摘要方向盘的转矩传感器、转角传感器是汽车电动助力转向系统的重要组成部分，其输出信号的品质直接影响电动助力转向系统的性能。为了满足电动助力转向系统对方向盘转矩、转角的测量要求，本文研究了一种同时输出转矩、转角信号的非接触式智能传感器。首先，本文对国内外现有的转矩传感器、转角传感器进行了分析，并对能够同时提供复合信号的转矩、方向盘位置传感器进行了重点讨论。然后介绍了巨磁电阻的基本理论，并对转矩的常用测量方法进行了归纳总结。根据汽车转向特性及巨磁电阻芯片的性能，提出了一种全新的测量方法，实现转角、转矩的同时测量。其次，通过对齿轮传动的推导分析，确定了齿轮的基本参数要求，并对传感器总成中的各传动齿轮、扭杆等关键部件进行了详细的设计。再次，对传感器的电路进行了模块化的设计。本文将传感器的测量电路分为角度传感器电路芯片模块、电源管理模块、j t a g 接口模块、c a n 通信模块，并分别对各测量电路进行了选材和设计。最后，开发了传感器的静态标定装置，对传感器的输出进行了静态标定。对标定结果进行了处理分析，得到了传感器的相关指标。试验结果表明本文研究的非接触式转矩转角传感器基本满足电动助力转向系统对转矩、转角测量的要求。关键词：电动助力转向；巨磁电阻；转矩：转角；传感器a b s t r a c tt h et o r q u ea n da n o es e n s o ri so n eo ft h ek e yp a r t so fa r te l e c t r i cp o w e rs t e c r i n g ( e p s ) s y s t e m ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe p ss y s t e mi sm u c hc o n c e r n e dw i t ht h eo u t p u to ft h et o r q u ea n da n g l es e n s o r i no r d e rt om e e tt h en e e d so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mf o rt o r q u ea n da n g l em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i sd e s i g n e dan e wi n t e l l i g e n ts e n s o rt h a tm e , a s l 1 et o r q u ea n da n g l es i g n a lw i t h o u tc o n t a c t a tl u s t , t h ep r i n c i p l ea n df e a t u r eo fv a r i o u se p ss 戗k q o l sw e r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h es e n s o rt h a tc o d dm e a s u r et h et o r q u ea n ds t e e r i n ga n g l ea tt h es a m et i m e a f t e rt h a t ,i ti n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo fg i a n tm a g n e t or e s i s t a n c e ，a n ds u m m a r i z e dt h ec o n v e n t i o n a lt o r q u em e a s u r i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dg m rc h i pp e r f o r m a n c e ，t h i st h e s i sp r e s e n t e dan e wm e a s u r i n gm e t h o dt h a tc a nm e a s u r et h ea n g l ea n dt o q u ea tt h es a n l et i m e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea n g l ea n dt o r q u em e a s u r e m e n tf o rg e a rt r a n s m i s s i o n , i td e t e r m i n e dt h eg e a rb a s i cp a r a m e t e rr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , i nt h i st h e s i s ，t h ed r i v eg e a r , at o r s i o nb a ra n ds e v e r a lo t h e rk e yp a r t so ft h es e n s o rw e r ed e t a i l e dd e s i g n e d i nt h i st h e s i s , t h em e a s u r i n gc i r c u i ti n c l u d e d ：a n g l es e n s o rc i r c u i tc h i pm o d u l e ，p o w e rs u p p l y i n gm a n a g e m e n tm o d u l e ，j t a gm o d u l e ，a n dc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i td e s i g n e de a c hm e a s u r e m e n tc i r c u i t a tl a s t , c a l i b r a t i o nt e s td e v i c ew a sd e s i g n e d ，a n ds e n s o rc a l i b r a t i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u t i th a db e e nf o u n dt h a tt h es e n s o rh a se x c e l l e n to u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ef o re p st o r q u ea n da n g l es e h s o r k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；g i a n tm a g n e t or e s i s t a n c e ；t o r q u e ；s e n s o r第一章绪论第一章绪论随着科学技术的发展与进步，越来越多的电子技术被引入到汽车工业当中，汽车的动力性、操控性和舒适性能得到了很大的提高。作为汽车重要组成部分，转向系统与整车的操纵性和安全性密切相关。自上世纪5 0 年代美国德尔福开发出应用在越野车上的液压助力转向系统后，转向系统正在经历从液压助力转向到电动助力转向的转变。电动助力转向因为其结构紧凑，转向更加轻便灵活以及低能耗等诸多优点而必将成为未来发展的趋势。1 1 助力转向系统概述1 1 1 转向系统的发展过程转向系统大致经历了机械式转向系统、液压助力转向系统( h a s ) 、电控液压助力式转向系统( e h p s ) 、电动助力转向系统( e p s ) 等几个阶段i l j 。最早的机械转向系统应用范围较广，它是以驾驶员的体力作为转向的动力源。不同的机械转向系统转向器不尽相同，常见的结构有循环球式转向器、齿轮齿条式转向器、蜗杆指销式转向器等 2 , 3 1 。机械式转向系统结构简单可靠，但其因为无法同时解决轻便与灵敏度的问题，逐渐被淘汰。上世纪5 0 年代，德尔福最早开发出了传统的液压助力转向系统，该系统是利用发动机动力来驱动油泵，通过液力来减轻驾驶员的操作负担。但传统的液压助力转向系统也有明显的缺点，液压助力的大小是恒定的，在汽车高速行驶的情况下，转向手感变差：另外，采用液压助力后，发动机油耗增加、维修成本增加等都限制了液压助力转向系统的发展。随着现代汽车电子技术的发展，最早在1 9 8 3 年，日本k o y o 公司推出了电控液压助力转向系统( e h p s ) h i 。该系统是在原有的液压助力系统上发展起来的，可以随着车速的提高而提供逐渐减小的转向助力。e h p s 在不同的车速下可以获得较好的转向手感，但由于结构复杂、成本高等缺点，这种系统最终只是一种过渡产品。1 9 8 8 年，k o y o 公司开发的转向管柱式电动助力转向系统问世，标志着转向系统进入了一个新的时代。e p s 将传统的机械转向和电子控制技术很好的结合在了一起。与传统的液压助力转向系统相比，它有很多的优点：( 1 ) 整个系统的结构较为简单，响应较快，助力大小可以根据需要，通过软件系统进行控制；第一章绪论( 2 ) 由于e p s 是依靠电机来提供助力，没有液压泵，而只有在转向时才提供助力，所以更加的节能、环保；( 3 ) 当车速很低需要较大助力时，电机输出力矩为正，以减小转向盘的输出力矩；当车速过高，电机可输出负力矩，增加一定的阻力矩，以保证适当的手感，从而保证了转型系统的轻便与平稳；( 4 ) 整个系统零部件较少，结构紧凑，质量较液压助力系统要轻很多，便于整车的装配。1 1 2 电动助力转向系统的组成及分类电动助力转向系统大致可以分为七个部分：控制器( e c l o 、扭矩( 角度) 传感器、直流电机( 带电磁离合器) 和减速装置、转向传动轴、机械转向器部分、e p s 显示灯、线束及接插件5 1 。由于车型不同，转向系统所需的助力大小也不相同。常见的助力形式有传动轴式( c - e p s ) 、小齿轮式( p e p s ) 、齿条式( r - e p s ) ，如图1 1 所示。另外，在一些国外的皮卡车上也可以见到采用了循环球式一e p s ) 的电动助力转向系统。1 1 3e p s 的关键部件传感器电动助力转向系统因为轻便、灵活、节能环保等一系列的优点，正在迅速地占领微型和经济型轿车市场，并在未来，向大型、豪华及商用车发展。而传感器在整个e p s 系统中起着很重要的作用：准确的探测汽车转向时方向盘的转矩、绝对转角、车速信号，并把它们转换成相应的电信号，交由电子控制单元( e c u ) 进行计算分析，以决定驱动电机的转速与回转方向。( a ) c - e p sc o ) p - e p s( c ) r - e p s( d ) d d - e p s图1 1 几种常见电动助力转向形式f i g 1 1s e v e r a lt y p i c a le l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m se p s 系统中使用的传感器有不同的分类方法。按照安装方式可以分为独立分2第一章绪论装传感器和助力转向一体化传感器；按照信号的输出方式可以分为扭矩( 角位移)单信号输出传感器和双信号输出传感器；按照内部结构可以分为接触式传感器和非接触式传感器。二者的区别在于，接触式传感器在全工作行程中，敏感部件存在机械摩擦，非接触式是通过磁耦合、电耦合、光耦合等方式获取信号的。本文就是以转矩、转角为研究对象，研究一种转矩转角双信号输出的非接触式传感器。1 2e p s 用转向传感器研究现状目前，传感器还没有一个统一的定义，一般来说：“作为一种检测装置，传感器可以感受到被测物理量，并将这种物理量的机械信号，按照某种规律变换成为电信号，并可以满足对被测物理量信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求【鄹。 国家标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感器件和转换元件组成1 8 , 9 1 。 本文研究的转矩转角传感器是通过磁敏元件，将转矩、转角两个物理量转变为电信号，并集成有相应处理电路的装置。e p s 转角、转矩传感器正在经历由接触式向非接触式、提供单一转矩信号向提供复合信号的方向转变。国内对e p s 及配套的传感器也有一定的研究，株洲时代、上海新跃等企业已可量产，但多数在传感器测量精度和稳定性上还难以满足要求。最常见的还是早期应用在昌河北斗星上的电位计式转矩传感器。清华大学汽车转向研究所目前采用的也是这种接触式传感器及美国b i 的转矩位置复合传感器。以下为几种常见的转矩、转角传感器。1 2 1 转矩传感器( 1 ) n s k 的转矩传感器作为国内第一款装载e p s 的微型车，昌河北斗星装载的转矩传感器也成为各大汽车转向厂商和科研机构的研究对象。如图1 2 所示，是由n s k 公司研制的最早一代转矩传感器的总布置图。这种传感器的变送结构主要包括了传感器轴、扭杆、滑块、杠杆、钢球等。其工作原理是：驾驶员在进行转向操作时，施加一定的转距，扭杆发生变形，造成转向上下轴的相对转动。这样，转向套筒里的钢球就会带动滑块在螺旋槽里移动，传感器的电阻值发生变化，输出相应的电压值。3第一章绪论图1 2n s k 转矩传感器总布置图f i g 1 2t o r q u es e n s o rg e n e r a la r r a n g e m e n td r a w i n g( 2 ) 光电式转矩传感器这种传感器是非接触式的，最早是在1 9 9 2 年由英国l u c a s 推出的。清华大学季学武教授等人也对此类型的传感器进行了研究，如图1 3 所示，为其工作原理图。图1 3 光电式转矩传感器f i g 1 3p h o t o e l e c t r i ct o r q u es e n s o r当扭矩施加在方向盘上时，扭杆会发生微变形。此时，光码盘a 固定在扭杆的一端，带有发光管的光码盘b 固定在带有套筒的另一端，它们可以将扭杆的微变形准确的转换成电压信号。( 3 ) 电感式转矩传感器如图1 4 所示，为电感式转矩传感器的基本结构。这种传感器是建立在电磁感应基础之上。当输入转矩时，利用线圈电感或互感的变化来实现非电量测量。为了保证传感器的测量精度，传感器上还安装有探测线圈。工作特点如下：1 ) 灵敏度高，分辨率高，能感受到小于0 1 角秒的微小角度变化；2 ) 工作可靠，寿命长；4第一章绪论3 ) 精度高，线性特性好；4 ) 性能稳定，重复性好；5 ) 存在交流零位，不适用于高频动态信号的测量。电感式传感器大致可以分为变磁阻式、变压器式和涡流式等类型，清华大学转向研究所已经研究出变磁阻式传感器，测量精度较高。1 2 2 转角传感器粥擞奠补偿线圈辘确呀l ：痢轿2探滔环!图1 4 电感式转矩传感器结构图f i g 1 4i n d u c t i v et o r q u es e n s o rs t r u c t u r ed i a g r a m目前，使用在汽车上的转角传感器种类较多，最常用的是旋转分压计式，包括光、电、磁等种类。基于光学原理的角度传感器因为结构简单、使用寿命长、精度高、分辨率高等优点，很可能成为主流的转角传感器。1 2 3 转矩转角一体化传感器上面列出的传感器在早期e p s 系统中使用较多，它们大多价格便宜、体积偏大。接触式传感器，工作中存在摩擦损耗的问题，使用寿命有限，正逐步被淘汰。光电式传感器虽然实现了非接触，但对工作环境的要求较高，一定的灰尘会影响传感器的精度。这使得其在e p s 上的发展受到了限制。而且从功能上来讲，上述的传感器只能单一提供转矩或者转角电信号。相关的文献资料表明，只有美国b i 为德尔福配套的传感器，同时提供了转矩和方向盘位置传感器。如图1 5 所示，该传感器的安装需要把转向管柱的适当部位截开，在输入轴和输出轴之间安装一个刚度适中的扭杆。使用较多的是5 线b i传感器，5 线输出分别是2 路扭矩输出t 1 、乾，3 路位置信号p l 、p 2 、p 3 ，价格5第一章绪论6在2 5 0 元左右。但这种传感器，没有封装成一体，其工作原理与上述早期的n s k转矩传感器一样，是电位计的接触式传感器，存在测量精度不高、使用寿命有限，体积过大，不便于e p s 系统在转向管柱的整体布置等问题。s 桕酥n g 商d 。s h a t图1 5b i 转矩、方向盘位置传感器f i g 1 5b it o r q u ea n ds t e e r i n gw h e e lp o s i t i o ns e n s o r本课题旨在研究一种应用在c e p s 上的非接触式转矩转角一体化转向传感器。通过对信号变换机理和转换装置的研究，将两个传感器集成在一起，实现转矩和转角的同时测量和输出。1 3 本课题研究的意义和内容通过对e p s 系统发展的探讨，我们可以知道传感器是e p s 的关键部件之一，其品质的好坏直接影响了整个系统性能的好坏与成本。本文所研究的传感器将转矩转角集成在一起，实现转矩转角的同时测量和输出。这种传感器不仅可以在e p s系统中发挥较大的作用，还可以应用在e s p 、自动巡航等智能控制中，是新一代智能控制的关键和研发热点。同时，e p s 中的回正与逻辑阻尼控制技术的发展也需要低成本、小体积、高精度的转角测量来保障。英飞凌公司于2 0 1 0 年推出了t l e 5 0 1 2 芯片。这种基于巨磁原理的角度传感器芯片，可以测量0 0 - - 3 6 0 0 范围内的磁场位置角度。本文正是采用这款芯片，嵌入了m c u ，实现转矩、转角的非接触式测量。本文的主要工作：( 1 ) 对比当前e p s 中采用的转矩、转角传感器，确定研究e p s 用转矩转角传感器的必要性；( 2 ) 巨磁理论及转矩转角传感器变换机理的研究；第一章绪论( 3 ) 转矩、转角传感器机械结构的研究；( 4 ) 传感器后续处理电路的研究；( 5 ) 转矩转角传感器功能的试验对比分析。7第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究8第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究2 1 磁阻效应与巨磁效应理论作为一种磁敏元件，磁阻元件是一种有效的磁电转换元件，在此有必要讨论一下相关效应。2 1 1 磁阻效应与霍尔效应相似，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受洛伦兹力偏转而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。假设霍尔电场为零，n 型半导体为短而粗的样品，电极由两端面引出，得到载流子的偏转为：曰= t a n ( 2 1 )式中：以一电子迁移率；b 磁感应强度；铭一霍尔角。因为载流子的偏转轨迹增长，其产生的磁阻效应可用下式表示：p n s - p p ：( b ) 2( 2 2 )仃。刀式中：成一不加磁场时的电阻率。如加磁场时的电阻率。通过上式可知，电阻随磁场变化是随着电子迁移率的增加而变得更加灵敏。所以，通常会选用电子迁移率大的材料作为磁敏材料，如锑化铟单晶，其电子迁移率高达7 8 0 0 0 c m 2 v s ，是硅的4 0 倍。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究92 1 2 巨磁效应通常情况下，磁性金属和合金都具有磁电阻现象，人们把这种随着磁场变化，自身电阻随之而变化的现象称为磁电阻。而巨磁电阻是指在一定的磁场下，电阻值迅速下降，其幅值是磁电阻的十几倍。最早在1 9 8 8 年，法国肯特等人首先在f e ，c r 多层膜中发现了巨磁电阻效应，到上世纪9 0 年代，人们又相继在f e c u ，f e a l ，f e 砧，f e a u 等多层膜中发现了巨磁效应。由于巨磁效应在高密度读出磁头、磁存储元件等领域有着很好的应用前景，欧美等国家都在巨磁材料及其应用发展上投入了很大的力量。美国i b m公司在1 9 9 4 年首先研制出巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了1 7 倍，达5 g b i t i n 2 ，最新的产品可以达到1 1 g b i t i n 2 ，从而使磁盘在与光盘的竞争中重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应比一般的磁阻效应大，这使得器件更容易小型化，廉价化。巨磁效应还可应用于测量位移，本文所采用的角度传感器芯片t l e 5 0 1 2 正是基于巨磁阻效应开发出来的。同时，巨磁效应还可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中。与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能在恶劣的条件下工作等优点。巨磁电阻效应在尖端技术领域还有一个重要的应用就是微弱磁场探测器。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测量系统也要微型化。在2 l 世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测l o - 2 t 至l o - 6 t 的磁通密度，如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，而纳米结构的巨磁电阻器件是可以完成这个任务的。2 2t l e 5 0 1 2 简介2 2 1t l e 5 0 1 2 内部结构2 0 1 0 年，英飞凌公司推出了t l e s 0 1 2 芯片，成为首家批量生产基于巨磁原理传感器芯片的半导体供应商。这种芯片可以准确测量外部磁场在3 6 0 。内的转角值。如图2 1 所示，这样一个巨磁芯片的硬件电路包括了2 个惠斯通电桥、2 个a d 装换器、1 个温度传感器、滤波器以及在运行过程中的内部检测机制。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 0图2 1t l e 5 0 1 2 内部电路结构图f i g 2 1t l e 5 0 1 2i n t e r n a ls t r u c t u r et l e 5 0 1 2 芯片的内部电路分为模拟电路部分和数字电路部分。模拟电路部分包括：巨磁电阻桥、检测开关、模数转换器、v d d 。o f f 比较器、g n d o f f 比较器、v d d 过压探测等；数字电路部分包括：锁相环、c o m b 滤波器、f i r 滤波器和低通滤波器、用位图控制有限状态机( f s m ) 、s s c 接口、计数器( 复位、f s y n c 、f c n t ) 。2 2 2t l e 5 0 1 2 芯片的角度测量原理t l e 5 0 1 2 芯片集成了2 个惠斯通电桥，每个电桥由4 个臣磁电阻( g i a n tm a g n e t or e s i s t a n c e ) 组成，这种电桥的优点是把原来的信号放大了1 倍。如图2 2 所示，一个电桥的输着出随磁场与芯片x 方向夹角最的变化而变化( 简称x 桥) ，另一个电桥的输出随着磁场与芯片y 方向夹角见的变化而变化( 简称y 桥) 。当鼠= o 。、见- - 9 0 。时，x 桥中的输出为正的最大值，y 桥中的输出为o ；当o x = 1 8 0 。、见= 2 7 0。时，x 桥中的输出为负的最大值，y 桥中的输出为0 。当o x - - - 9 0 。、统= 0 。时，x 桥中的输出为o ，y 桥中的输出为正的最大值；当见= 2 7 0 。、见= 1 8 0 。时，x桥中的输出为o ，y 桥中的输出为负的最大值。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 1兀一、森一。欠太么一一 厂嘭m义乞p 图2 2 巨磁芯片测量原理图f i g 2 2t h ed i a g r a mo fg i a n tm a g n e t i cm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e这样一来，t l e 5 0 1 2 芯片就可以随着外部磁场的变化，在x 、y 方向输出两个与磁场角度有关的变化量。当磁场的方向与x 方向的夹角为缈时，x 桥的输出信号为：x = a mc o s 矽( 2 3 )同理，此时在y 桥上有输出信号：y = a ms i n q ，( 2 4 )式中：a m 输出信号的振幅；缈一磁场与芯片x 方向的夹角。2 3 转矩、转角测量方法本文即可利用t l e 5 0 1 2 芯片来实现绝对转角的测量，具体测量方法在下节中作介绍，现在主要对常用的转矩测量方法进行总结。从测量的基本原理可以分为：传递法、平衡力法和能量转换法三类。2 3 1 传递法传递法也叫扭轴法，是转矩测量最常用的方法。这种方法是通过捕捉弹性元件在传递转矩的过程中相应物理参数的变化来测量转矩。物理参数有多种，可以使用弹性元件的变形、应变、应力。采用传递法时，常用的两种方法是应变式测转矩和扭角式测转矩。本文正是采用扭角式测转矩的方法实现了非接触式测量。( 1 ) 应变式测转矩如图2 3 所示，以实心圆轴为例，当转矩为m 时，设在轴体表面沿4 5 。或者第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 21 3 5 。方向的主应力为q 、0 2 ，与轴体表面的最大扭应力在数值上大小相等，即：f = 0 1 = 一吒( 2 5 )图2 3 应变式测转矩f i g 2 3s t r a i ng a u g et o r q u e这里设与o r l 、o r 2 的主应变分别为s l 、9 2 ，那么q = 一占2( 2 6 )并且铲詈+ 寻= 掣印警f = 暑隰7 )卜詈+ 了- - 0 - i = 半妒一半一暑式中：e _ 一轴体材料弹性模量；- 轴体所受应力；一轴体材料泊松比。若轴体的扭转截面系数为w ，n -占。= - - 6 ：2 = ( 半) 等= k 。m( 2 - 8 )盯l ：仃2 ：兽：足，m( 2 9 )盯l2 仃22 矿2k ，。乙y ，其中，k = 茜，k = 古。通过上式可以得知轴体的应力( 仃) 、应变( g ) 都和被测转矩大小成正比。在实际的工程应用中，常通过应变片将被测轴体的主应变或应力转变为电压信号，标定之后来确定转矩m ，如图所示2 4 所示，常沿轴线的4 5 。或者1 3 5 。方向粘贴应变片。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 3图2 4 空心圆柱轴体f i g 2 4t h eh o l l o wc y l i n d e r当轴体受转矩m 作用时，应变片产生应变，变形量与转矩成线性关系。这种测量成本较低，在实际的应用中也最为广泛，但由于存在应变片贴片复杂、绕线问题等缺点，无法在e p s 系统中测量方向盘的转矩。( 2 ) 扭角式测转矩由材料力学可以知道，如图2 4 所示，设在轴体受到转矩m 时，在轴向上相距为，的两截面，产生一个相对的转角矽，则有：矽：旦( 2 1 0 )矽= l z 1 u 夕。g j p式中：g 一剪切弹性模量；j p 一被测轴体的极惯性矩。图2 4 加载转矩后的变形示意图f i g 2 4t h ed i a g r a mo fl o a dt o r q u ed e f o r m a t i o n上式表明，g j p 与扭角伊成反比，叫。也称为轴体的抗扭刚度。在满足强度的基础上，轴体不应该有过大的变形。例如，若车床丝杠杆扭角过大，会影响车刀进给，降低加工精度；发动机的凸轮轴扭角过大，会影响气阀开关时间。本文研究的转矩转角的测量也是如此，如果扭转角变形过大，刚度变小，会影响方向盘的灵敏度和整个转向系统的随动性。通常方向盘的相对转角不超多6 。若轴体为实心圆截面时，极惯性矩n ，- ，。= 竺二瑙a 1 d 。( 2 1 1 )第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 4若轴体为环形截面时，极惯性矩= 等簧o i ( d 4 夕( 2 1 2 )式中：d 一轴体外径。d - - 轴体外径。这种测量方法机械结构较为简单，避免了绕线问题，而且其处理电路也不复杂，实现了非接触式，故e p s 用转矩传感器多是采用的这类测量原理。2 3 2 平衡力法动力机械在对外输出转矩时，轴体上一定会在4 5 。方向上同时存在大小相等，方向相反的平衡力矩m 。通过测量轴体上的平衡力矩m ，来确定待测转矩m 大小的方法称为平衡力法，亦称为反力法。轴体上的平衡力矩m 通常是用平衡力和平衡力臂组合表示，设力臂长度为三，则作用在机体上的力矩m = f l 。图2 5 为轴承零件摩擦转矩测量的基本原理图。当被测轴承在外力矩的驱动下旋转时，摩擦力矩带动轴承的外圈旋转，平衡力f 阻碍轴承外圈的旋转，使得平衡力矩与被测摩擦力矩保持动态平衡。由此可列轴承的力矩平衡方程：m = f l 4 膨( 2 1 3 )式中：m 一轴承的摩擦转矩；卜平衡力；卜力臂长度：删一力矩测量误差项。1 被测轴承；2 力臂杆；3 测量系统；4 平衡支撑图2 5 平衡力法原理图f i g 2 5t h ed i a g r a mo f b a l a n c ef o r c em e t h o dp r i n c i p l e第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 5上式表明，只要精确测量平衡力即可求得转矩。为了使测量结果更为精确，应当使误差项尽可能的小。误差项胧主要包括以下几项：埘= + a m j + a m 2 刎虬( 2 1 4 )式中：m ，平衡力矩的摩擦支撑；m ，平衡力及力臂长的测量误差；m 。测量条件引起的其他误差。这种方法的系统稳定性好，输出信号易采集，没有从旋转件到静止件的转矩信号的传输问题，力臂上作用的平衡力f 可以用测力机构测得。但这种方法只能用在测量匀速工况下的转矩，不能测量动态转矩。显然，这种方法是无法满足e p s对转矩测量要求的。2 3 3 能量转换法根据能量守恒定律来实现转矩测量的方法，称为能量转换法【1 0 1 。这是一种间接的方法，误差较大，约8 0 o - , 1 8 。因此，这种方法采用的较少，只有无法进行直接测量时选用这种方法。2 4 转矩转角测量总体方案通过上一节的分析可以知道，e p s 系统需要能够实现动态测量的转矩传感器，而应变片式的转矩测量又存在贴片工艺、绕线等问题，不符合要求。而通过扭角测量转矩，既可以实现相对转角和绝对转角的同时测量，又可以实现非接触测量，机械结构也较为简单，可以较好地满足e p s 系统动态测量的要求。目前，国内外采用扭角测量转矩的非接触式传感器种类较多，主要有：光电式转矩传感器、磁感应式转矩传感器、磁阻式转矩传感器。但这些传感器成本较高，机械结构较为复杂，对工作环境的要求较高，对e p s 系统而言，性价比不是太高。本课题也是利用方向盘的相对转角来测量转矩，与其他的方法不同之处在于它利用了齿轮传动来实现转角测量，并嵌入了m c u 。正是由于m c u 的嵌入，使得大量的信息可以通过m c u 的计算获得，机械机构大大简化。如图2 6 所示，为传感器整体结构原理图，上下转向套筒是断开结构，并且分别和转向扭杆用花键刚性连接。驾驶员转动转向盘，会带动转向上套管转动。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 641 上转向套筒；2 扭杆；3 传感器大齿轮1 ；4 - 传感器小齿轮1 ；5 传感器小齿轮2 ：6 传感器大齿轮2 ；7 下转向套筒；8 小齿轮3图2 6 传感器结构原理图f i 9 2 6t h es e n s o rs t r u c t u r ed i a g r a m由于转向盘和转向上套管可以视为刚性连接，所以转向上套管的转动角度即大齿轮l 的转动角度，为转向盘的绝对转动角度。扭杆作为传递驾驶员转向力矩的一个环节，承受整个转矩，故其性能的好坏，会影响整个转向系统的性能。扭杆两端的传动会通过上下两个大齿轮，即图2 6 的3 和6 传递到各从动小齿轮。所需测量的绝对转角和相对转角( 扭杆的微变形) 也就转变为小齿轮的转动角度差值。扭杆在驾驶员施加力时，承受着整个转矩m ，前面已经介绍过，由材料力学可知，此时扭杆的界面会产生剪切形变。设扭杆上下两端的距离为l ，两截面扭转的角度为缈，转矩为m ，则所求转矩可以用式( 2 1 0 ) 表示。如图2 8 所示，i c l 、i c 2 、i c 3 分别代表了与各从动齿轮相对应的英飞凌巨磁转角芯片。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 7图2 7 传感器整体结构示惹图f i g 2 7t h e 跚n rs y s t e ms t r u c t u r e各从动齿轮的中间镶嵌有相同的磁铁，可视为刚性的连接，从动齿轮的转动会带动磁铁转动相同的角度。这样，所要求的转矩和方向盘转角信号转换为了两磁铁间的转角差值变化。最后，通过安装在从动齿轮中间电路板上的t l e s 0 1 2 芯片完成对磁铁转动的测量，并通过m c u 的进一步分析，输出我们需要的电压信号。2 5 转矩、转角计算分析2 5 1 转矩测量的计算分析通过上一节的分析可以知道，只要计算出小齿轮1 、2 之间的转角差，就可以求得转矩。通过对英飞凌t l e 5 0 1 2 芯片测量原理的分析，它输出的是当前磁场方向与芯片某一固定方向的角度，其测量的数值范围在0 。 3 6 0 。但是，一般汽车方向盘的转动范围都在1 5 圈即1 0 8 0 。左右。与此同时，出于对传感器精度和尺寸的要求，从动轮必须是增速的小齿轮。因为齿轮副在作增速传动时，从动轮的尺寸会较扭杆上的主动齿轮小，传感器空间尺寸得到控制，而从动小齿轮转过的角度会大于主动齿轮，放大了扭转角信号的作用，有利于提高测量精度。基于以上的原因，小齿轮的转动圈数一定大于1 0 8 0 。，超出了t l e 5 0 1 2 的测量范围，这样就涉及记录齿轮转动圈数的问题，但这样会使传感器的程序和结构变得复杂。根据前面的整体结构原理，最终要求输出的是齿轮转角的差值，无需求出每一个齿轮转动的实际角度。以下是对相对转角差值的计算与分析。这里假设齿轮的初始位置是传感器安装到e p s 系统，方向盘不承受力矩的位置。此时方向盘位置首先被从t l e 5 0 1 2 芯片上读出，存贮在微处理器的f l a s h 里。当传感器开始工作时，该位置会从f l a s h第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究1 8读到r a m 中，用于计算。为便于计算和推导，设小齿轮1 的初始位置为，、小齿轮2 的初始位置为口。，、小齿轮3 的初始位置为，方向盘转动目后，小齿轮1的位置为口，、小齿轮2 的位置为口，、小齿轮3 的位置为口，。由于磁铁被固定在齿轮上方，与其做相同的旋转运动，故口，、口，、口，也代表了磁铁相对于电路板上巨磁芯片的相对位置。小齿轮l 和小齿轮2 之间因为齿数的不同，也产生了相对转动，设转角差为a 0 。前面提到，因为转向系统的转动角度可能大于3 6 0 。，且整个齿轮传动系统是增速传动，所以小齿轮的转动角度大于3 6 0 。，存在跳变。设小齿轮l 转动的圈数为c ，、小齿轮转动的圈数为c z ( 每转动3 6 0 。一圈) ，扭杆上的主动齿轮与小齿轮l 、小齿轮2 的传动比分别为刀，、n ，。对于小齿轮1 和小齿轮2 则可以分别列出下式：a o l + n l o = 口l + c 1x 3 6 0 口+ n 2 ( 乡+ 伊) = 口2 + c 2 3 6 0 。对式( 2 1 6 ) 变型可得：( 2 1 5 )( 2 1 6 )口舵+ 刀2 秒+ n 2 q 7 = 口2 + c 2 3 6 0 。( 2 1 7 )口眈+ 刀2 0 + a 0 = 口2 + c ：x 3 6 0 。( 2 1 8 )从上面的分析可以知道，为使扭转角q 放大，提高测量精度，整个系统采用的是增速传动，即r ， 1 。由式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 8 ) 可以得到：a o = ( 口o l 一口) 一( 一口2 ) 一( c l - c 2 ) 3 6 0 。+ ( 啊一，k ) 秒( 2 1 9 )ja 0 = a a o a a - a c x 3 6 0 。+ a n x o( 2 2 0 )式中：a a o = a o l 一；a a = 0 【l 一0 2 ；a n = 1 1 l n 2 ；a c = c l c 2 。这里，可以令n 。= n ：，使转角差0 仅由扭杆的变形引起。同时，令两齿轮的传动比相同，可以使后续的齿轮计算分析、设计得到大大的简化。式( 2 2 0 ) 变形为：a 0 = a a o a a a c x 3 6 0 。( 2 2 1 )显然，a a 。、a a 是可以通过电路板上的英飞凌巨磁芯片测出的，这里只有a c未知，a 0 为所求量。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究19当一1 8 0 。 a 0 1 8 0 。，即0 a 0 + 1 8 0 。 3 6 0 。时，由式( 2 2 1 ) 得到：a a o 一仅= a 0 + a c x 3 6 0 。a a o a a + 1 8 0 。= a 0 + 1 8 0 。+ a c 3 6 0 。将其带入上述不等式，则：c 3 6 0 。 a 0 + 1 8 0 。+ a c 3 6 0 。 ( a c + 1 ) 3 6 0 。将式( 2 2 2 ) 带入式( 2 2 4 ) ，则：a c x 3 6 0 。 a a o 一a + 1 8 0 。 ( a c + 1 ) 3 6 0 。即c a a o - a a + 1 8 0 a c + 13 6 0 。因为a c 必须是一个整数，所以：c ：ia a o - a a + 1 8 0 il3 6 0j将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 1 ) 得：a 0 = a ( t 0 - a a i 半l x 3 6 0 。所以，所求扭转角为：0叩2 2方向盘转矩为： 缸1 半卜。n 2n 2t ：盟：哪卧缸1 半扣。，( 2 2 2 )( 2 2 3 )( 2 2 4 )( 2 2 5 )( 2 2 6 )( 2 2 7 )( 2 2 8 )( 2 2 9 )ll xn 2这里，转矩和小齿轮1 、小齿轮2 的转角差。成线性关系。程序设计时，可以直接用转角差来表示所求转矩。2 5 2 转角测量的计算分析前面的章节已经介绍过，方向盘的转动范围在1 0 8 0 。以上，t l e 5 0 1 2 测量的是磁场方向相对于芯片某一固定方向的位置角度，输出的测量范围在0 - - 3 6 0 。之间。所以必须找到一种方法使得芯片的测量角度和方向盘的转动角度一一对应起第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究2 0来。本文采用了类似于游标卡尺的测量原理来进行测量。在整个传动系统中，令小齿轮l 和小齿轮3 有不同的传动比，那么在方向盘转动过某一角度时，两个齿轮就存在转角差a 0 。上文已经推导过，只要满足一1 8 0 a 0 1 8 0 。，a 0 就可以通过安装在电路板上的两个巨磁芯片测量出来。这种方法结构简单，且共用了测量转矩时所用的小齿轮1 ，简化了整个系统的机械结构，节省了传感器的空间。如图2 8 所示，为测量绝对转角的传感器局部结构原理图。为了将方向盘的转动角度与t l e 5 0 1 2 的测量角度能够一一对应起来，整个系统在测量转矩的结构之上又加了小齿轮3 ，这样在扭杆的上端有两个从动小齿轮。因为两个齿轮的传动比不同，方向盘转动的过程中，会产生一个仅与两从动齿轮齿数有关的转交差值a 0 。一穆t i t图2 8 转角测量原理图f i g 2 8t h ed i a g r a mo f a n g l em e a s u r i n gp r i n c i p l e以0 。砚o 。的测量范围为例，横轴为方向盘的转动角度，纵轴为齿轮转过的角度，如图2 9 所示，为两齿轮转角差的形成图。显然( a ) 图中两个齿轮的锯齿信号在7 2 0 。的范围内只相交一次，这使得待测绝对转角可以与巨磁芯片测量的转角数值一一对应。相反，在图( b ) 中，0 - 7 2 0 。的测量范围中两齿轮重叠两次，同一个锯齿波的差值就对应于两个方向盘的绝对转角。这样不能准确测量方向盘的绝对转角。第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究2 1传动齿轮转角以化似耽m 棚砒俐、_ 一7 2 0 一方向盘转角图2 9c a ) 转角差值形成图f i g 2 9 ( a ) a n g l ed i f f e r e n c ef o r m i n g d i a g r a m- 传明齿轮精角砒僦训蝴煳删、饕獭方向盘转角一图2 9 ( b ) 转角差值形成图f i g 2 9 ( b ) a n g l ed i f f e r e n c ef o r m i n g d i a g r a m所以说，对从动小齿轮1 、从动小齿轮3 齿数的计算分析是有必要的，以避免出现图2 9 ( b ) 中的重叠问题。和分析转矩测量时的方法相似，设方向盘转动了0 后，小齿轮l 的位置为0 【、小齿轮2 的位置为a ：，两齿轮的转角差为o ，小齿轮1 、3 发生的圈数变化为c ，、c ：，两小齿轮的转动比分别为n 、n ，。对两小齿轮有：0 o l + n 1 0 = 仅l + c lx 3 6 0 。( 2 3 0 )0 【+ n 3 0 = 仅3 + c 3 3 6 0 。( 2 3 1 )对式( 2 3 1 ) 进行恒等变形得：0 c + n 1 0 + a 0 = 0 【3 + c 3x 3 6 0 。其中，a 0 = ( n l - n 3 ) 0 。由式( 2 3 1 ) 、式( 2 3 2 ) 可以推导出：a 0 = a c t o a t z 一c 3 6 0 。式中：a t z o = a o l 一仅：a a = a l 一0 【3 ；a n = n l n 3 ；a c = c l c 3 。( 2 3 2 )( 2 3 3 )第二章巨磁效应理论及转矩转角传感器转换机理的研究2 2同上- d , 节的推导相似，当0 a 0 + 1 8 0 。 3 6 0 。时，e = 仅。一仅一l 垒! 堑l 半j 一3 6 。将其代, k a e = ( 1 3 l n 3 ) 0 得。o ：生：n 3 一n i 她一l 竽扣。n 3 一n l( 2 3 4 )通过上面的分析可以知道，这个整体结构较为紧凑，使得转矩、转角测量一体化，且满足了非接触式的测量要求。通过概括上述的推导过程，为符合在测量过程中实现转动角度和测量角度的一一对应，以7 2 0 。 7 2 0 。测量范围为例，从动齿轮的