磁阻式傳感器在E P S中的應用

畢玲峰，高 明

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

EPS的英文全稱是Electronic Power Steering，它利用電動機產生的動力協助駕車者進行動力轉向。其基本工作原理是：不轉向時，電動機不工作；當轉向時，扭矩傳感器將檢測到的動力作用于轉向盤上的扭矩信號傳送給ECU，ECU同時接收車速傳感器傳來的車速信號，ECU對輸入信號進行處理后，向電動機發出指令，電動機據此輸出與之相應大小及方向的扭矩以產生助力，從而實現助力轉向的實時控制。傳統的電動助力轉向器的扭矩傳感器大都采用接觸式方式，并且只能檢測轉向的扭矩，并不能檢測轉向角度，并且因為其接觸式測量方式，傳感器的壽命和磨損后的測量精度都會下降，從而影響整個轉向系統的性能［1］。我們設計的新型的非接觸式傳感器，利用磁阻效應的原理，實現了非接觸測量，并且能夠同時測量扭矩和角度及其方向。因為非接觸測量，傳感器的壽命也大大延長，并且其測量精度也不會因為接觸測量的磨損而有所降低［2］。

1 磁阻式傳感器的原理

利用基于磁阻芯片KMT36H的非接觸式測量系統結構框圖如圖1所示。由被測部件、磁阻傳感器、信號預處理系統、單片機系統、上位機顯示系統組成［3］。其中磁阻傳感器包括角度傳感器和扭矩傳感器，它們的核心芯片為KMT36H。

1.1 磁阻傳感器的角度測量原理

半導體材料根據外部磁場方向和大小的變化而相應改變阻抗的特性稱為磁阻效應。當半導體材料的外部磁場達到其飽和磁場強度，其阻抗的改變只和磁場的方向有關。KMT36H就是根據此原理來測量角度和扭矩的。如下圖2所示，將傳感器和永磁鐵按圖示位置安裝［4］。此時要求永磁鐵的磁場強度大于傳感器的飽和磁場強度，當永磁鐵在傳感器的上方旋轉或者平行移動時，傳感器內部的三路電橋 （如圖3所示）上的電阻會根據磁場方向的改變而改變，從而傳感器的三路模擬輸出信號VO1、VO2和VO3隨之改變。則，磁場變化的角度為

式（1）中 V1=VO2-VO1，V2=VO3-VO2，V3=VO1-VO3。

但是由于此芯片只能實現0°~180°的測量范圍，而EPS的角度測量范圍遠遠超過此量程，所以一塊芯片是無法滿足EPS的功能需求的。所采用的裝置如圖4所示。該裝置為轉向軸上套一個大齒輪，同時大齒輪嚙合兩個小齒輪，并且兩個小齒輪的齒數相差1。兩個小齒輪隨大齒輪旋轉，由于兩小齒輪的齒數不一致，所以根據兩個小齒輪轉過的相位差即可算出大齒輪轉過的絕對角度。

1.2 磁阻傳感器的扭矩測量原理

測量轉向系統所受的扭矩，可以從測量轉向系統在扭矩的作用下產生的彈性變形出發，測量被測量件的輸入端和輸出端之間的相對夾角，從而計算系統被施加的扭矩。

磁場的方向在磁鐵的兩極改變的方向為180°。因為芯片相對磁鐵的運動位移很小，可以近似為直線。當磁阻芯片測量的磁場角度變化時，利用磁鐵的磁極距和芯片和磁鐵的旋轉半徑，可以就算得出輸入軸部件和輸出軸部件的相對轉角為［5］：

式（2）中a為磁場變化的角度；R為芯片和磁鐵的旋轉半徑；L為磁鐵的磁極距。

2 角度傳感器和扭矩傳感器結構的設計

基于以上測量的基本原理，對角度傳感器和扭矩傳感器的結構作了以下設計。

2.1 角度傳感器的結構設計

根據KMT36H的測量原理圖，將該原理電路圖制成雙面PCB電路板，其中一面主要布置2個KMT36H，另一面為測量電路所需的其他電器元件。并設計大齒輪和隨動的2個小齒輪。這里的齒輪幾乎不傳遞力矩，只起傳動作用，所以采用塑料澆鑄成型即可。圖5即為根據上述原理制作的實物裝置。

2.2 扭桿彈簧的設計

扭桿彈簧的設計如圖6。其工作直桿部分為實心圓柱直桿。保證扭桿輸入端在外加力矩的作用下，兩連接端面之間的偏轉角不超過±5°，采用等效長度方法確定其長度，兩端采用花鍵連接。材料選用45鋼。

2.3扭矩傳感器的結構設計

扭矩傳感器的結構設計圖如圖7所示。圖8為其效果圖。如圖8裝置所示，輸入軸部件1與扭桿是通過花鍵連接固定在一起的，輸出軸部件5與扭桿之間是通過另一個花鍵連接固定。從外觀看輸入軸和輸出軸并沒有直接連接在一起，但內部卻通過扭桿相連接。轉角傳感器2與輸入軸1連接固定在一起，可以計算絕對的轉角。托盤a和輸出軸部件1通過過盈配合連接在一起，托盤b和輸出軸部件4通過過盈配合連接在一起。磁鐵安裝在托盤a上，磁阻傳感器組件6（如圖8所示）安裝在托盤b上。當在輸入軸1加載扭矩時，磁鐵7和磁阻傳感器組件6之間有相對轉動，可以測得相對轉角，利用相對轉角進而可以計算出轉矩。

3 試驗結果

按照上述的測量原理，制作了實際的轉角和扭矩測量裝置，并在相關汽車試驗臺上進行了實驗測試。在0°～180°范圍內，以每30°為步進單位進行測量，在 180°～720°范圍內，以每 90°為步進單位進行測量。測量的結果如表1所示。

表1 角度測量結果

在0~5 N·m范圍內，以每0.5 N·m為步進單位進行測量，測量結果如表2所示。

表2 扭矩測量結果

4 結論

由表1和表2的測量結果顯示，磁阻傳感器在角度和扭矩時的測量精度能夠達到一般裝車要求，且經過多次試驗測試，所得數據在處理后其線性度并無大的變化，傳感器的重復性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足EPS系統要求。

［1］裴錦華，李明.汽車轉向系統力矩波動的匹配研究［J］.汽車科技，2010，05（3）.

［2］ Ichiro Tokunaga ，Hirofumi Okumura ，Yuichi Shonai ，oshio Ogawa.Development of the noncontact steering angle sensor using a giantmagnetoresistive element［J］.SAE paper 2007-01-0395，2007.

［3］賀貴芳，李瑞霞，劉杰.汽車與工程機械用傳感器［M］。北京：人民交通出版社，2002，4.

［4］梁長垠.磁阻式傳感器在角度測量中的應用［J］.傳感器技術，2005，24（4）.

［5］賈俊榮，劉志群，薛曉玲.單片機接口模塊應用和開發實例詳解［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010，1.