汽车方向盘转角传感器系统设计及算法研究.doc

图 1 转角传感器实物图 汽车方向盘转角传感器系统设计及算法研究王俊，杨胜兵，过学迅（武 汉 理 工 大 学 汽 车 学 院 ， 湖 北 武 汉 430070）摘 要 ：通过对角度传感器的结构及对其工作原理作深入 研 究 ，并将其运用于方向盘的绝对角度传感器中 ，该 系统 成 本 低 、抗 干 扰 性 能 好 、测 量 精 确 高 ，是一款较理想的非接触式方向盘转角传感器 。 由于该传感器能够检测出精 确的方向盘绝对位置角度值 ，故为助力转向系统及车身电子稳定系统的开发有很大帮助 。关 键 词 ：绝 对 角 度 ；抗 干 扰 性 ；转 角 传 感 器中 图 分 类 号 ：TP212.9;U463.46文 献 标 志 码 ：A文 章 编 号 ：1008-5483(2011)01- 0019-03Design and Algorithm Research of Angle Sensorfor Vehicle Steering WheelWang Jun，Yang Shengbing，Guo Xuexun（School of Automobile Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China）Abstract：The structure of the angle sensor and its working principle were analyzed and applied tonon-contact angle sensor of the steering wheel. Since the sensor can detect the absolute position of the steering wheel angle value, it is helpful to development of the power steering system and electronic stability system.Key words：absolute angle; anti-jamming; angle sensor汽 车电控技术进步推动了汽车传感器 技 术 的发展，其中电动助力转向系统和电子稳定系统 是 当 前汽车电控技术的热点 ，而在控制过程中方向 盘 转角传感器则是其最重要的部分 1。 通过计算方向盘 转 角 的 位 置和转角变化速率来预测驾驶员的操作 意 图 ， 从 而 为 ESP 或 EPS 控 制 单 元 提 供 控 制 动 作 的依据 。 传统的方向盘转角传感器基于多种原 理 ，如光电效应 、霍尔效应 、电阻分压效应等 。根据原始向管柱固定连接 ，大齿圈与 2 个小齿轮通过齿轮啮 合。 方向盘一般都能绕一个方向 转 3 圈 ，为 了 得 到 精确的绝对角度这里采用齿数分 别 为 26 和 28 的 小齿轮 ， 而大齿轮齿数为 42 这 样 就 能 得 到 2 个 频率不同的锯齿波 ， 为后面差值运算做了前提条件 。转角传感器示意图如图 2 所示。信号编 解码方式的不同 ，转角传感器可以分 为 绝对值转角传感器和相对值转角传感器 。这些传感器普遍存在测量精度不高 、 抗干扰性能差等缺点 ，且 结构复杂 ，成本也较高 2。转角传感器系统结构1转 角 传 感 器 （图 1）的大齿圈内部与方向盘转 收 稿 日 期 ：2011-01-2020V3 = V0arctan（V1 / V2）式 中 ：V1AS5043 在 X 轴方向上得到的 正 弦 磁 场 分量所产生的电压值 ；V2AS5043 在 Y 轴 方 向 上 得到的正弦磁场分量所产生的电压值 ；V0电 压 的震 荡 幅 值 ；V3计 算 的 电 压 值 ， 每一个电压值在一 个 0180范围内对应唯一的一个角 度 值 ， 这 样 也就可以计算其相对转角 。 但在方向盘中应用存在一些 问 题 。 如 方 向 盘 单 向 需 要 最 大 为 1080的 转 角 ， 如果光靠程序区计 算 入 到 达 180 自 动 加 1180 ， 一旦程序运行不稳就会出现很 大 问 题 ，而 且 这 样 的1 磁 钢 ； 2，3 从 动 齿 轮 ； 4 霍 尔 传 感 器 ； 5 主 动 齿 轮 ； 算法也难以处理 ，故仅适合小角度转角的系统 。6 电 路 板 ； 7CPU 控 制 单 元 ； 8 转 向 管 柱图 2 转角传感器示意图 2 角度传感器工作原理分析图 3 显示了小磁缸在垂直方向的 磁 场 分 布 情 况 ，小 磁 缸 分 为 N 与 S 其 分 布 如 图 3 所 示 ， 而 S 极 为向外发射磁场 ，N 向内吸收磁力线所以在其垂直 方向形成如此磁场分布 ，然 后 将 AS5043 的 角 度 传感器放置于距磁钢的 2 mm 左 右 ，将其小磁钢放置 于齿轮中心 ， 每当小齿轮带着小磁钢旋转 一 周 ，在角度传感器上就会产生 2 列 相 隔 90 相 位 的 正 弦 波， 做运算就能得到其相对角度值 。 其 中 AS5043是 一 种非接触式磁性角度编码器 ， 测 量 范 围 高 达360的角度范围它可提供数字式 10 位 输 出 以 及 一 图 4 角度传感器算法分析图 个可编程模拟输出 ，输出与在芯片上力作 旋 转 运 动 为解决扩大角度监测范围 ，采用双磁轮及双角 的 磁 铁的角度存在正比例关系模拟输出可通过多 度 传 感 器 ， 产 生 的 锯 齿 波进行差值运算 ， 如 图 5，2 种 方 式 配 置 ，包括用户可编程角度范围 、可 调 节 电 列差值波形其频率不同 ，振幅相同 。压或电流输出 。3典 型 为 6mm 直 径磁 铁 轴 线R1图 5 双角度传感器信号输出 垂 直 磁 场 分 量 2 个频率不同的锯齿波做差值运算后得到如 图 6 所示，很明显其转角的绝对角度值能很大范围 的 监 测 角 度 ， 然后编写算法处理其产生 突 变 的 位R1 同 心 圆 周 ：半 径 1.1mm图 3 磁钢的磁场分布图 在图 4 中把磁钢拉为一维的平面 ，与 其 对 应 的2 列相差相位为 90的正弦波 ，作如下运算 4：V1 = V0sin（2a）图 6 双信号差值运算输出图 图 7 转角传感器电路图 角度传感器电路图4部分算法程序3双 A5043 角度传感器将并联入系统中 ，如 图 7所示， 监测的信号处理后将通过 CAN 总 线 传 递 到CPU 进行计算 ，得到线性直线能够让转角与电压值 一一对应故实时监测出其转角大小 。程序主要通过将 AS5043 传 递 过 来 的 锯 齿 形信 号 进 行 差 值 处 理 ，然后将产生突变的位置 ，如 图6 所 示 ，把信号对应平移使其能够在 X 轴 找 到 与 Y 轴一一对应的算法来求得对应转角值 。下面程序为 在 freescale 编译环境下的 C 语言算法程序 。FirstData2 = （FirstData16）; FirstAngle = FirstData2&0x3ff; SecondData2 = （SecondData19）; SecondAngle = SecondData2&0x3ff; Delta = abs（FirstAngle - SecondAngle）;if（Delta=255）AbsoluteAngle2 = （255-Delta）; AbsoluteAngle1 = AbsoluteAngle2 * 281; AbsoluteAngle = AbsoluteAngle1/100; signal=0;else if（Delta=512）AbsoluteAngle2 = （Delta-255）; AbsoluteAngle1 = AbsoluteAngle2 * 281; AbsoluteAngle =AbsoluteAngle1/100;signal=1;else if（Delta=768）AbsoluteAngle2 = （768-Delta）; AbsoluteAngle1 = AbsoluteAngle2 * 281; AbsoluteAngle = AbsoluteAngle1/100;signal = 0;else if（Delta = 1023） AbsoluteAngle2 = （Delta-768）; AbsoluteAngle1 = AbsoluteAngle2 * 281; AbsoluteAngle =AbsoluteAngle1/100;signal=1;else结 论5由实验分析可知 ，该非接触式方向盘转角传感 器得测量精度高 、测量范围广 、成 本 低 等 优 点 ，同 时 采用双角度传感器做差值运算得到测量 范 围 广 的方向盘转角传感器 。 该设计方案合理值得在任何相 关转向系统中推广 。参考文献：杨 财 ，周 艳 霞 方向盘转角传感器研究 进 展 J传 感 器与 系 统 ，2007，26（11）：1-4胡 松 青 ，杨 渭巨 磁 电 阻 应用的现状与展望 J2003，16（1）：69-72张 珂 ，杨 其 华 ，李 冰 ，等 基于霍尔器件的非接触式角度 传 感 器 研 制 J传 感 技 术 学 报 ，2008，21（6）：981-984.张 英 福 . 巨磁电阻在方向盘转角传感器中的 应 用 J重庆工学院学报 ：自 然 科 学 ，2009（10）： 17-20.1234file:/D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txtAppliance Error (configuration_