基于各向異性磁阻效應的EPS角度傳感器研究

王加熙+楊明

摘要：文章基于磁阻效應設計非接觸式EPS角度傳感器，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機為核心，配合CAN模塊設計完整的車用磁阻角傳感器方案。該傳感器系統可以非接觸式的測量角度。理論分析和實驗表明該傳感器系統與傳統的角度傳感器相比，精度高、可靠性好、應用范圍廣，且體積小、成本低。

關鍵詞：磁阻效應；EPS；單片機；CAN；角度傳感器；

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）07-0014-04

1 概述

電動助力轉向（Electric Power Steering，簡稱EPS）是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，傳感器將檢測到的動力作用于轉向盤上的信號傳送給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傳感器大都采用接觸式方式，因其接觸式的測量方式，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。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，能夠測量角度及其方向，傳感器壽命也大大延長，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 磁阻傳感器工作原理

圖1 磁阻效應示意

磁阻效應是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。在達到穩態時，某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數減少，從而使電阻增加。這種現象稱為磁阻效應。

而當半導體所處外部磁場的磁場強度達到飽和的時候，其阻抗改變僅與磁場方向有關，被稱之為各向異性磁阻效應AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）。半導體與磁化方向平行時電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時電阻Rmin最小，若電流與磁化方向成角θ時，電阻可表示為：

磁阻傳感器設計需充分考慮到磁阻效應里磁場飽和狀態下阻抗變化僅與磁場方向相關的特性，依據此原理可以快速準確的測出角度，抗干擾特性較好，更為

便捷。

在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對輸出的影響，由4個相同的磁阻元件構成惠斯通電橋，結構如圖2所示。

圖2 基本電橋

根據磁阻效應電阻公式及惠斯通電橋可以計算出該電橋在θ角的飽和磁場中輸出為：

其中令，則

Us為磁阻傳感器工作電壓，K為惠更斯電橋類磁阻芯片固有常數。

K指作為磁阻傳感器的固有屬性，理論上是一個常數，但實際會因溫度、濕度等外部環境的變化影響而發生改變，且單電橋磁阻角度傳感器的角度測量范圍僅為90°，兩者都會給實際角度測量帶來不便。

3 磁阻傳感器在EPS中的應用

在汽車EPS中，轉角傳感器可以基于多種原理來實現，如光電效應、霍爾效應、磁阻效應、電阻分壓效應、可變電容等。不同的實現方式要對應不同的信號處理策略，其優劣性對比如下：

圖3 角度傳感器分類

3.1 電阻式轉角傳感器

電阻式轉角傳感器的理論依據是電阻的分壓原理，它能夠通過方向盤的轉動帶動電阻器上的滑動觸電，屬于絕對型接觸式傳感器，滑動觸點在運動過程中存在著機械摩擦，滑動觸點易磨損，并且工作時易產生噪聲，以及體積大不便于安裝等一系列缺點。

3.2 光電感應式角度傳感器

光電感應式轉角傳感器也就是我們通常所說的光電編碼器。它的工作原理是：安裝在方向盤管柱上的轉角傳感器跟隨方向盤轉軸的轉動，此時光敏元器件會接受到光照，光敏元件將接收到的光信號轉化為電信號并經過信號調理電路的整形和放大后變為電壓脈沖輸出。由于是基于光電感應原理，它的工作需要光源，安裝要求較高，存在溫度票移和繞線問題以及造價較高易于損壞的缺點。

3.3 電子電容式轉角傳感器

這種傳感器由于只有電子電路構成，沒有敏感元器件。缺點在于大量電子部件的存在使得電路的結構龐大復雜，而且很容易受到電磁干擾，因此電子式轉角傳感器的測量精度不高，不適合用于高精度要求的電動助力系統中。

3.4 霍爾（磁電）式轉角傳感器

霍爾式轉角傳感器是由磁敏元件構成的集成傳感器，它由霍爾敏感元件、信號調理電路和數字信號處理器構成。它的工作原理是：將磁鐵安裝在霍爾敏感芯片的上方，霍爾敏感元件能夠將磁場的變化轉化脈沖信號，經處理放大計算出轉角信號。優點是磁敏感范圍較大，抗振動干擾和噪聲干擾的能力強，結構牢固、體積小便于安裝，能夠在復雜惡劣的環境下保持較高的靈敏度和測量精度以及造價相對比較便宜。因此，盡管霍爾式傳感器存在一定的溫漂。EMC磁屏蔽設計要求較高，但依然是目前汽車電控系統中應用最為廣泛的轉角傳

感器。

3.5 磁阻式角度傳感器

磁阻式傳感器也是基于磁電效應原理的轉角傳感器，它的優點是：抗噪聲抗震動能力強，測量精度和分辨率高，性能穩定使用壽命長。但是由于目前對磁阻敏感元件的制作工藝技術不是很成熟，目前國內對于汽車用磁阻式傳感器的研究相對較少，國外對于汽車用磁阻傳感器的研究比較成功的企業也相對較少。

磁阻式角度傳感器與其他類型比較有如下優勢：

根據性能比較可以看出磁阻式和霍爾編碼式角度傳感器性能遠優于其他類型，其耐污染、抗震動、抗噪聲能力強的優勢令其在汽車上的應用極為普遍。而磁阻式與霍爾式相比較，又具有在低磁場強度下的高敏感度及高分辨率，因此，本文選用磁阻式傳感器作為EPS的轉角測量元件。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉磁場將產生兩個獨立的三角函數輸出信號，一個是cos2θ，另一個是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據各向異性磁阻效應原理，兩個同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關系為：

傳感器這種電路設計方式的優勢有效去除了計算轉角θ中K值對系統測量精度的影響，且便于開發實時的角度測量系統。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數的周期性，導致該芯片計算角度時僅能實現0-180°范圍內角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續旋轉多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達到720°以上，對于EPS中方向盤系統需要360°旋轉角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統進行設計，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個小齒輪，設大齒輪（主動齒輪）齒數為m，從動齒輪1齒數為m1，從動齒輪2齒數為m2。設主軸齒輪的行程為n周，則從動齒輪2在行程內一共轉過（m*n/m2）*360°，從動齒輪1共轉過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個行程的絕對角位置與2個從動齒間的角位置關系一一對應，有

2個KMT32B分別檢測出2個從動齒輪的角度，根據角度差值情況就能測得主動齒輪的角度值。

根據最后換算公式可知，當從動齒輪1和從動齒輪2差值越小，該角度測量系統的量程越大，主動齒輪與從動齒輪比值越大，傳感器體積越??；綜合考慮轉角測量系統尺寸大小，并且盡量讓兩個從動齒輪齒數接近，本文設定的兩個從動齒輪齒數分別為17，18；既M*n<306；而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，這設定n=6，m=51。

5 EPS轉角測量系統設計

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動助力轉向（EPS）系統控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優化和改善EPS系統的電動助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設計了一款基于磁阻效應的非接觸式方向盤絕對轉角傳感器系統，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機為核心，配合其中CAN模塊設計完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統原理框圖

系統主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統、單片機系統MC9S08DZ60、CAN通信網絡、EPS控制系統。系統中2個磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經過信號預處理電路的調理后輸入到信號電子處理單元中進行實時的角度計算。電子處理單元依據事先植入的絕對角度算法程序計算并輸出方向盤的絕對轉角。

圖8 轉角計算

6 實驗結果與分析

按照上面設計的系統研制出實際的轉角測量裝置，并在相應的角度檢測設備上進行了實驗測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結果如表2所示。

在0°～2160°范圍內進行角度測量的實驗結果見表1。由表可見全角范圍內，測量精度達到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數據

經過多次重復試驗，對數據進行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結語

由表1的測量結果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達到一般車載EPS系統要求，且經過多次重復實驗后所得數據在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設計的角度傳感器系統的重復性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實驗證明角度測量傳感器系統具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優點，特別是其多圈角度測量的設計方案合理，值得在車輛轉向角度測量中推廣，相信這一思路方向發展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

參考文獻

[1] 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）.

[2] 畢玲峰，高明.磁阻式傳感器在EPS中的應用[J].

汽車科技，2012，3（5）.

[3] 趙繼文.傳感器與應用電路設計.北京：科學出版

社，2002.

[4] 鄭然.基于AMR效應的磁阻位移傳感器設計[D].

西安：西北工業大學，2007.

[5] 林邵華.霍爾傳感器原理及其在車川傳感器中的應

用[J]，輕型汽車技術，2003，12（5）：14-16.

作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學自動化系工程師，研究方向：電氣工程與自動化專業。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉磁場將產生兩個獨立的三角函數輸出信號，一個是cos2θ，另一個是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據各向異性磁阻效應原理，兩個同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關系為：

傳感器這種電路設計方式的優勢有效去除了計算轉角θ中K值對系統測量精度的影響，且便于開發實時的角度測量系統。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數的周期性，導致該芯片計算角度時僅能實現0-180°范圍內角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續旋轉多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達到720°以上，對于EPS中方向盤系統需要360°旋轉角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統進行設計，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個小齒輪，設大齒輪（主動齒輪）齒數為m，從動齒輪1齒數為m1，從動齒輪2齒數為m2。設主軸齒輪的行程為n周，則從動齒輪2在行程內一共轉過（m*n/m2）*360°，從動齒輪1共轉過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個行程的絕對角位置與2個從動齒間的角位置關系一一對應，有

2個KMT32B分別檢測出2個從動齒輪的角度，根據角度差值情況就能測得主動齒輪的角度值。

根據最后換算公式可知，當從動齒輪1和從動齒輪2差值越小，該角度測量系統的量程越大，主動齒輪與從動齒輪比值越大，傳感器體積越小；綜合考慮轉角測量系統尺寸大小，并且盡量讓兩個從動齒輪齒數接近，本文設定的兩個從動齒輪齒數分別為17，18；既M*n<306；而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，這設定n=6，m=51。

5 EPS轉角測量系統設計

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動助力轉向（EPS）系統控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優化和改善EPS系統的電動助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設計了一款基于磁阻效應的非接觸式方向盤絕對轉角傳感器系統，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機為核心，配合其中CAN模塊設計完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統原理框圖

系統主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統、單片機系統MC9S08DZ60、CAN通信網絡、EPS控制系統。系統中2個磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經過信號預處理電路的調理后輸入到信號電子處理單元中進行實時的角度計算。電子處理單元依據事先植入的絕對角度算法程序計算并輸出方向盤的絕對轉角。

圖8 轉角計算

6 實驗結果與分析

按照上面設計的系統研制出實際的轉角測量裝置，并在相應的角度檢測設備上進行了實驗測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結果如表2所示。

在0°～2160°范圍內進行角度測量的實驗結果見表1。由表可見全角范圍內，測量精度達到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數據

經過多次重復試驗，對數據進行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結語

由表1的測量結果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達到一般車載EPS系統要求，且經過多次重復實驗后所得數據在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設計的角度傳感器系統的重復性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實驗證明角度測量傳感器系統具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優點，特別是其多圈角度測量的設計方案合理，值得在車輛轉向角度測量中推廣，相信這一思路方向發展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

參考文獻

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西安：西北工業大學，2007.

[5] 林邵華.霍爾傳感器原理及其在車川傳感器中的應

用[J]，輕型汽車技術，2003，12（5）：14-16.

作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學自動化系工程師，研究方向：電氣工程與自動化專業。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉磁場將產生兩個獨立的三角函數輸出信號，一個是cos2θ，另一個是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據各向異性磁阻效應原理，兩個同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關系為：

傳感器這種電路設計方式的優勢有效去除了計算轉角θ中K值對系統測量精度的影響，且便于開發實時的角度測量系統。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數的周期性，導致該芯片計算角度時僅能實現0-180°范圍內角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續旋轉多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達到720°以上，對于EPS中方向盤系統需要360°旋轉角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統進行設計，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個小齒輪，設大齒輪（主動齒輪）齒數為m，從動齒輪1齒數為m1，從動齒輪2齒數為m2。設主軸齒輪的行程為n周，則從動齒輪2在行程內一共轉過（m*n/m2）*360°，從動齒輪1共轉過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個行程的絕對角位置與2個從動齒間的角位置關系一一對應，有

2個KMT32B分別檢測出2個從動齒輪的角度，根據角度差值情況就能測得主動齒輪的角度值。

根據最后換算公式可知，當從動齒輪1和從動齒輪2差值越小，該角度測量系統的量程越大，主動齒輪與從動齒輪比值越大，傳感器體積越??；綜合考慮轉角測量系統尺寸大小，并且盡量讓兩個從動齒輪齒數接近，本文設定的兩個從動齒輪齒數分別為17，18；既M*n<306；而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，而設計的角度測量系統至少要能實現方向盤4圈角度的測量，這設定n=6，m=51。

5 EPS轉角測量系統設計

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動助力轉向（EPS）系統控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優化和改善EPS系統的電動助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設計了一款基于磁阻效應的非接觸式方向盤絕對轉角傳感器系統，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機為核心，配合其中CAN模塊設計完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統原理框圖

系統主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統、單片機系統MC9S08DZ60、CAN通信網絡、EPS控制系統。系統中2個磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經過信號預處理電路的調理后輸入到信號電子處理單元中進行實時的角度計算。電子處理單元依據事先植入的絕對角度算法程序計算并輸出方向盤的絕對轉角。

圖8 轉角計算

6 實驗結果與分析

按照上面設計的系統研制出實際的轉角測量裝置，并在相應的角度檢測設備上進行了實驗測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結果如表2所示。

在0°～2160°范圍內進行角度測量的實驗結果見表1。由表可見全角范圍內，測量精度達到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數據

經過多次重復試驗，對數據進行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結語

由表1的測量結果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達到一般車載EPS系統要求，且經過多次重復實驗后所得數據在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設計的角度傳感器系統的重復性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實驗證明角度測量傳感器系統具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優點，特別是其多圈角度測量的設計方案合理，值得在車輛轉向角度測量中推廣，相信這一思路方向發展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

參考文獻

[1] 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）.

[2] 畢玲峰，高明.磁阻式傳感器在EPS中的應用[J].

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[3] 趙繼文.傳感器與應用電路設計.北京：科學出版

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[4] 鄭然.基于AMR效應的磁阻位移傳感器設計[D].

西安：西北工業大學，2007.

[5] 林邵華.霍爾傳感器原理及其在車川傳感器中的應

用[J]，輕型汽車技術，2003，12（5）：14-16.

作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學自動化系工程師，研究方向：電氣工程與自動化專業。