轉角傳感器零位標定模塊優化設計

吳顯智

(東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005)

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轉角傳感器零位標定模塊優化設計

吳顯智

(東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005)

汽車電動助力轉向系統(EPS)大多依靠方向盤轉角傳感器來檢測方向盤角度進行主動回正控制，而轉角傳感器在正常工作前需要通過診斷儀或下線診斷系統等較為復雜的設備進行零位標定。詳細介紹一種轉角傳感器零位標定模塊的優化設計方法，并給出該模塊在實際工作中的應用成果。由于這種零位標定模塊具有使用簡單、高效的特點，對提高汽車轉角零位標定效率有很大幫助。

電動助力轉向系統；轉角傳感器；零位標定

0 引言

目前汽車的電動助力轉向系統(EPS)通常裝配有方向盤轉角傳感器，通過計算方向盤轉角的位置和轉角變化速率來預測駕駛員的操作意圖， 從而為EPS控制單元提供控制動作的依據，進行高速的阻尼控制和低速回正功能調節，提升汽車轉向系統的高速操縱穩定性能和低速轉向回正性能。由于轉角傳感器在與整車集成時存在裝配誤差，同時車輛完成裝配后需要進行四輪定位，會造成轉角傳感器的初始零位與方向盤零位存在偏差，需要在完成四輪定位后車輪轉角為零、方向盤在中位時，對轉角傳感器標定零位才能確保系統正常運行。一般標定零位的設備有3種：下線診斷設備、診斷儀、CAN OE 系統，但都價格昂貴，體積較大，操作復雜，在工程實踐中限制較大。文中通過剖析零位標定原理有針對性地設計小巧、簡易、低廉的零位標定模塊，大大提升了工作效率。

1 轉角傳感器工作原理

方向盤轉角傳感器基于多種原理，包括光電效應、霍爾效應、電阻分壓效應等；根據原始信號編、解碼方式的不同，轉角傳感器可以分為絕對值轉角傳感器和相對值轉角傳感器。當前采用較為廣泛的是電磁感應式絕對位置傳感器, 利用永磁體和電子線路來產生信號,使用的原理包括霍爾效應、磁阻效應以及可變磁阻效應。這種傳感器需要各種電子線路將傳感器原始信號轉換為適合應用的信號形式。典型結構如圖1所示，由主動齒輪、兩個從動齒輪、磁鋼、霍爾傳感器、電路板組成，其工作原理如下: 主動齒輪與轉向管柱固定連接,主動齒輪與兩個齒數不同的從動齒輪通過齒輪嚙合,方向盤一般能繞一個方向轉約3圈；在整個行程中,為了得到精確的絕對角度，從動輪1、從動輪2 、主動輪齒數都不一樣，這樣就能得到兩個頻率不同的信號波形如圖2所示；當方向盤轉動一定角度時，從動輪1和從動輪2轉過的角度不一樣，任意一個角度下兩個從動輪輸出信號的差值都不同，通過編寫算法進行差值運算，可以得到角度范圍較廣的與電壓一一對應的線性角度值。

圖1 轉角傳感器結構示意圖

圖2 雙轉角信號和差值運算圖

2 轉角傳感器零位偏移與標定

如圖3所示，轉角傳感器與轉向管柱、方向盤、齒輪齒條、橫拉桿和輪胎裝配在一起，由于存在裝配誤差，同時整車完成裝配后需要通過調整橫拉桿長度改變車輪角度以滿足四輪定位參數，會造成轉角傳感器的初始零位電壓與實際方向盤零位存在一定偏差ΔV(見圖4)。該偏差會嚴重影響車輛直線行駛能力和轉向回正的精確性，因此需要在完成四輪定位后車輪轉角為零、方向盤在中位時，對轉角傳感器進行標定。標定后，EPS系統在計算轉角時將會加上一個偏置量ΔV，確保轉角信號與實際行駛方向一致，EPS系統才能正常運行。

圖3 轉角傳感器安裝示意圖

圖4 轉角信號偏移

轉角傳感器集成在EPS系統內部，零位的標定一般由診斷設備與EPS控制器進行，間接完成轉角傳感器的零位標定工作。標定零位一般采用診斷儀，具體步驟如下：接通診斷儀→進入診斷程序→選擇對應車型→選擇轉向系統→點擊讀取故障代碼→點擊清除故障代碼→點擊零位標定→等待正確響應→標定結束。可以看出采用診斷儀標定零位步驟相當繁瑣，而且診斷儀集成了所有電控類系統的診斷程序，響應較慢，一般需要5 min才能完成零位標定，效率低下。根據CAN通信診斷原理，診斷設備滿足以下兩部分條件便可具備零位標定能力：(1)硬件部分滿足《ISO-11898 CAN道路車輛 控制器區域網絡(CAN)》物理層和數據鏈路層的相關規定，具備符合標準的CAN通信能力；(2)軟件依據《ISO 15765-1-2004 道路車輛 控制器區域網絡(CAN)診斷》的要求(如圖5所示)發送和接受CAN報文?；谝陨戏治觯槍π缘卦O計相關電路，編寫程序，通過CAN總線向EPS發送零位標定的診斷代碼，并且得到EPS的正確響應后，便可完成零位標定。

圖5 診斷儀通信示意

3 電路設計

整個零位標定模塊系統框圖如圖6所示，包含電源電路、微處理器、CAN收發器、藍牙模塊以及兩個按鍵與指示燈。

圖6 系統框圖

電源芯片采用AS1015,將車載12 V電壓轉換成5 V供零位標定模塊使用。該電源芯片具有穩壓和抗干擾功能，最大輸入電壓25 V,輸出電壓在3.6～23 V內可調，最大輸出電流5 A，耐溫150°，車輛供電電壓一般在11～14 V 之間，該模塊消耗電流約200 mA，可以滿足供電要求。微處理器采用PIC18F458為主控芯片，它配備16 kB Flash,33個IO口，40 MHz時鐘輸入，8路10 b AD、1路PWM、1路SPI、1路IIC、4路定時器，內置CAN2.0B，CAN BUS模塊與CAN收發器配合使用實現CAN通信，同時配備USART模塊與藍牙模塊配套與手機APP通信。采用MCP2551收發器支持1 MB/s的運行速率，滿足ISO-11898標準物理層要求，可連接節點高達112個，具有短路保護、高壓瞬態保護功能，具有較強的抗噪特性。采用BLK-MD-BC04-B 主從一體式藍牙模塊與手機APP通信，其內置英國CSR公司的BlueCore4-Ext芯片，工作電壓5 V，體積小、功耗低、收發靈敏度性高，支持UART接口,波特率默認9 600。零位標定模塊主要電路原理圖詳見圖7。

圖7 部分電路原理

4 程序設計

流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

將模塊接通診斷口后，系統上電，對各個端口進行初始化設置；初始化完成后，當收到CAN信號后立即進入中斷，如果收到EPS相關報文則判斷系統通信正常，對RC1取反，通信指示燈閃爍，反之未收到EPS報文，RC1針腳保持低電平，通信指示燈未被點亮表明通信失敗。在通信正常狀態下，通過循環查詢方式監測到標定按鍵(RC0)按下后開始向EPS發送讀故障碼指令的CAN通信報文，得到正確響應后，發送標零位指令報文，得到積極響應后發送清故障碼指令報文，得到積極響應后，拉高RD1針腳電壓點亮標定指示燈(RD1)，表明整個零位標定結束。當查詢到讀取數據按鈕(RD0)按下后，將接收到的16進制轉角數據乘以分辨率得到方向盤角度，并將數據進行ASCII碼轉換通過藍牙串口模塊發送出去，手機APP接收到轉角數據后會顯示此刻的轉角值以便核對方向盤轉角。

主要程序如下：

CAN中斷部分程序：

void interrupt HI_ISR(void)

{

if((RXB0IF == 1)&&(RXB0IE == 1)) //接收到從CAN總線發送過來的數據

{

CANreceive_flag = 1;//CAN接收標識置位

if((RXB0SIDH==EPSIDH)&&(RXB0SIDL==EPSIDL) //接收到EPS數據報文

{

PORTD=～PORTD;// PORTD取反

}

if((RXB0SIDH==SASIDH)&&(RXB0SIDL==SASIDL)) //接收到轉角報文

{

if(RD0 == 0) //如有S2按鍵按下

{

put_data_int10 (STEERING_ANGLE); //發送轉角數據

}

}

if((RXB0SIDH==EPS_DiaIDH)&&(RXB0SIDL==EPS_DiaIDL)) //接收到EPS診斷報文

{

if(RXB0D1 == Trim_Flag) //如果成功標定零位

{

RC1 = 1; //點亮L0

}

}

}

}

主程序部分

void main(void)

{

Initial(); //IO口初始化

InitUSART(); //串口初始化

InitTMR0(); //定時器0初始化

InitCAN(); //內部CAN寄存器設置初始化

IPEN = 1; //使能中斷優先級

INTCON |= 0xC0; //開放所有高低優先級中斷

for(;;)

{

if(RC0 == 0) //如有S2按鍵按下

{

RC1 = 1; //點亮L0

DelayNmSec(10); //延時500 ms

while(RC0 == 0); //等待S2按鍵釋放

RC1 = 0; //熄滅L0

CANSendFrame(0X04,0X31,0X02,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00);//清除零位

DelayNmSec(500); //延時500 ms

CANSendFrame(0X04,0X31,0X02,0X00,0XFF,0X00,0X00,0X00); //標定零位

DelayNmSec(500); //延時500 ms

CANSendFrame(0X03,0X14,0X50,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00); //清除故障碼

}

}

}

5 標定過程分析

將零位標定模塊接到車輛診斷接口后，通信指示燈閃爍，說明CAN通信正常，可以進行零位標定，只要按下標零按鈕，系統會自動發送標定零位代碼，等待約2 s標定指示燈點亮，同時車輛儀表上的EPS故障燈熄滅，表明轉角傳感器零位標定成功。當需要對轉角信號進行確認時，只要按下讀取按鈕，可在手機藍牙串口APP上讀取實時的方向盤轉角。零位標定模塊工作示意圖見圖9。

圖9 零位標定模塊工作圖

6 結束語

采用這種零位標定模塊，其質量、體積僅有診斷儀的1/20，整個零位標定過程可以在10 s之內完成，而診斷儀通常需要5 min以上，大大提高了效率。由于其體積很小，方便攜帶，操作簡單，無須培訓，任何設計人員都可以操作，目前已在實際工程開發中廣泛使用，相對其他標定零位設備具有相當顯著的優勢。

【1】王俊，楊勝兵，過學迅.汽車方向盤轉角傳感器系統設計及算法研究[J].湖北汽車工業學院學報,2011,25(1):19-21.

WANG J,YANG S B,GUO X X.Design and Algorithm Research of Angle Sensor for Vehicle Steering Wheel[J].Journal of Hubei Automotive Industries Institute,2011,25(1):19-21.

【2】張皆喜,王茂凌,張瑜.PIC系列單片機C語言編程與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2008.

【3】孫江宏，李良玉.PROTEL 99SE電路設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2001.

【4】李寧.Android開發權威指南[M].北京:人民郵電出版社,2013.

Angle Sensor Zero Calibration Module Design

WU Xianzhi

(Dongfeng Liuzhou Mortor Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545005,China)

Electric power steering system mostly relies on steering wheel angle sensor to detect the steering wheel angle, and the angle sensor needs to be calibrated by an external device before normal work. A design method of zero position calibration module for angle sensor was introduced, and the application results in practical work was given.The results show that the zero position calibration module is simple and efficient.It is helpful to improve the car corners zero calibration efficiency.

EPS;Angle sensor;Zero position calibration

2016-07-26

吳顯智,男，本科，從事電動助力轉向系統的開發和研究。E-mail:dflz_wxz@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.008

U463.4

A

1674-1986(2016)10-037-04