磁電式方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的應(yīng)用與研究

郭忠新，張 蕾

（1.上海科世達(dá)-華陽(yáng)汽車(chē)電器有限公司，上海 201814；2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)汽車(chē)駕駛的舒適性、穩(wěn)定性和安全性也要求越來(lái)越高，因而大量的電子技術(shù)被應(yīng)用到汽車(chē)工業(yè)之中，一些輔助駕駛元件應(yīng)運(yùn)而生，如電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（Electronic Stability Program）、電子助力轉(zhuǎn)向EPS（Electrical Power Steering）、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS（Active Front-Steering System）、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)ACC （Adaptive Cruise Control）、自動(dòng)泊車(chē) （Park Assist）和航道保持 （Lane Keeping Assist）等，這些都屬于駕駛輔助系統(tǒng)的一部分。如圖1所示，駕駛輔助系統(tǒng)中的每一個(gè)元件都或多或少需要方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器SAS（Steering Angle Sensor）輸入方向盤(pán)的實(shí)時(shí)狀態(tài) （也就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)），才能夠更好地起到作用。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器是指安裝在汽車(chē)方向盤(pán)下部，與轉(zhuǎn)向柱開(kāi)關(guān)模塊集成在一起，讀取方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度的裝置。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器在輔助駕駛系統(tǒng)中起到極其重要的作用。

圖1 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的作用

自從上個(gè)世紀(jì)90年代初，第1款角度傳感器應(yīng)用于汽車(chē)上以來(lái)，角度傳感器也隨著技術(shù)的更新而升級(jí)換代。按照測(cè)量角度結(jié)果可分為：相對(duì)式或絕對(duì)式。相對(duì)式的能夠測(cè)量2個(gè)待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)角度位置，而無(wú)法確定測(cè)量開(kāi)始時(shí)的絕對(duì)角度位置；而絕對(duì)式的能夠在任意時(shí)刻測(cè)量出被測(cè)物體的位置信息。按照測(cè)量角度的電子實(shí)現(xiàn)方式可分為：接觸式或非接觸式。接觸式角度傳感器由于機(jī)械接觸存在，機(jī)械磨損帶來(lái)較大的誤差；而非接觸式角度傳感器憑借通用性和高精度已經(jīng)逐漸取代接觸式的。非接觸式的傳感器包括光電式、電容式和磁電式等。磁電式絕對(duì)角度傳感器又因?yàn)榫雀摺y(cè)量結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)逐漸取代其他類(lèi)型的角度傳感器，成為今后應(yīng)用的主流產(chǎn)品［1］。本文將具體介紹磁電式絕對(duì)角度傳感器的原理及設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的機(jī)械構(gòu)成及工作原理

1.1 機(jī)械構(gòu)成

磁電式角度傳感器主要由主動(dòng)齒輪、2個(gè)從動(dòng)齒輪、PCBA和霍爾傳感器等零部件構(gòu)成，如圖2所示。

主動(dòng)齒輪通常間接或直接由方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)齒輪會(huì)隨著方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行同心轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)2個(gè)從動(dòng)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，在2個(gè)從動(dòng)齒輪上設(shè)置有永磁鐵，2個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得2塊磁場(chǎng)分布區(qū)域不斷變化，從而通過(guò)霍爾傳感器輸出相應(yīng)的角度。

圖2 磁電式角度傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3 角度傳感器機(jī)械原理

1.2 霍爾傳感工作原理

根據(jù)上文提到的機(jī)械構(gòu)成可見(jiàn)，霍爾傳感器是測(cè)量角度的核心電子器件。實(shí)現(xiàn)這種功能的霍爾傳感器有很多，本文以MLX90316芯片為例進(jìn)行說(shuō)明［2-3］。

這款霍爾芯片集成了Tria度isTM的CMOS霍爾傳感器，當(dāng)外加磁場(chǎng)的分量與芯片表面平行時(shí)則可輸出兩路正交磁場(chǎng)信息。根據(jù)這一特點(diǎn)可以獲得對(duì)應(yīng)的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式在360°范圍內(nèi)輸出角度數(shù)字信號(hào)。

圖4 MLX傳感器前端

當(dāng)小齒輪在芯片表面上方旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖4所示，芯片的集磁片IMC（Integrated Magnetic Concentrator）可以將平行作用在芯片表面的磁場(chǎng)B／／集中起來(lái)，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量B⊥，再通過(guò)2對(duì)位于IMC下方的傳統(tǒng)平面霍爾元件來(lái)檢測(cè)此信號(hào)。這2對(duì)霍爾元件的放置方向互相垂直，且都平行于芯片表面，分別在X、Y方向測(cè)量并通過(guò)IMC轉(zhuǎn)換得到Bx⊥、By⊥。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)可以將實(shí)際角度編碼為2個(gè)相位差為90°的正弦信號(hào)Vx和Vy，并正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。由此在芯片內(nèi)部計(jì)算得出角度：

而實(shí)際上由于間隙、溫度和老化等因素影響，磁場(chǎng)的強(qiáng)度等也受到相應(yīng)的影響，使得測(cè)量本身存在一些誤差。考慮到這些誤差影響，芯片內(nèi)部進(jìn)行了一些補(bǔ)償，輸出角度如下：

1.3 角度傳感器工作原理

對(duì)于乘用車(chē)來(lái)講，方向盤(pán)通常在540°左右的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，而商用車(chē)通常在900°左右范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由上文描述可知，一個(gè)霍爾傳感器僅能在360°范圍進(jìn)行測(cè)量，如果僅采用一個(gè)霍爾傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了需求。為了解決量程問(wèn)題，采用2個(gè)齒數(shù)不同的從動(dòng)齒輪，然后通過(guò)一定的算法得出主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度。

如圖5所示，主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，初始位置2個(gè)從動(dòng)齒輪起始值為0°。當(dāng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)，2個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度在180°的位置重合。在這兩個(gè)位置時(shí)，2個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度差異為0°，而這個(gè)一定角度就是此角度傳感器所能夠測(cè)量的最大范圍，在這個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，2個(gè)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度始終存在一定差異，利用這個(gè)差異可以計(jì)算出主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度。

圖5 主、從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)角關(guān)系

這種角度傳感器的算法有很多，但是基本的原理都是一致的，如楊平等在寬量程方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)研究中歸納的公式［4］：

式中：α主——主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；Z主——主動(dòng)齒輪的齒數(shù)；α從小和α從大——2個(gè)從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；Z從小和Z從大——2個(gè)從動(dòng)齒輪的齒數(shù)。

2 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)現(xiàn)

前文介紹了轉(zhuǎn)角傳感器的機(jī)械構(gòu)成和原理，最終要實(shí)現(xiàn)在整車(chē)上應(yīng)用，還需要電子硬件平臺(tái)和軟件的配合，輸出整車(chē)需要的信號(hào)。

2.1.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

此款轉(zhuǎn)角傳感器硬件系統(tǒng)主要包括角度信號(hào)采集使用的霍爾芯片、數(shù)據(jù)處理主芯片、數(shù)據(jù)通信CAN收發(fā)器以及電源模塊等一些輔助電路，其架構(gòu)如圖6所示。

模塊采用5 V直流電源供電。如前文所述，角度信號(hào)采集主要采用兩片MLX90136芯片，輸出信號(hào)采用精度高、穩(wěn)定性可靠的SPI串行通信模式。數(shù)據(jù)處理的主芯片采用公司的R8C／3x芯片，該芯片包含系統(tǒng)所需要的CAN通信、SPI串行通信等功能。與整車(chē)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流采用CAN總線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和需要角度信息的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

2.1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使物理采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為整車(chē)上其他零部件需要的角度相關(guān)信號(hào)，這就需要軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。本轉(zhuǎn)角傳感器核心就是角度的算法以及算法轉(zhuǎn)化為實(shí)際需要的角度相關(guān)信息。因此如圖7所示的軟件架構(gòu)，其核心是角度計(jì)算，其中又包括了絕對(duì)角度的計(jì)算、標(biāo)定的核心計(jì)算以及一些誤差的處理。其次，需要霍爾傳感器讀取信號(hào)輸入及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行校核；經(jīng)過(guò)計(jì)算的角度等信號(hào)需要輸出給相關(guān)的接口，輸出信號(hào)一定要正確并且為了達(dá)到安全等級(jí)的要求需要生產(chǎn)冗余信息；同時(shí)所有3個(gè)模塊需要有診斷模塊的配合，保證各個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。最后所有生成的信號(hào)通過(guò)接口模塊和整車(chē)進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角傳感器的功能。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖7 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.2 磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的應(yīng)用

磁電式轉(zhuǎn)角傳感器自從誕生以來(lái)，以其測(cè)量精度高、品質(zhì)可靠等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)取代了其他類(lèi)型的轉(zhuǎn)角傳感器應(yīng)用在絕大多數(shù)車(chē)型上。這種轉(zhuǎn)角傳感器分辨率可以達(dá)到0.1°，精度可以做到±2.5°～±4.0°。不管什么類(lèi)型的轉(zhuǎn)角傳感器，由于設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)制造等因素的影響，都會(huì)存在一定誤差。本文論述的轉(zhuǎn)角傳感器也不例外，如圖8所示同樣存在一些如遲滯誤差、非線(xiàn)性誤差、偏移誤差等［5］。

圖8 轉(zhuǎn)角傳感器誤差分析圖

對(duì)于遲滯誤差，通常來(lái)源于主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪嚙合的機(jī)械間隙，以及外部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角傳感器的相關(guān)零件之間的配合間隙，這些間隙導(dǎo)致正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量誤差。非線(xiàn)性誤差可以歸結(jié)為由于方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的不同心帶來(lái)的積分非線(xiàn)性誤差和測(cè)量元器件 （霍爾傳感器）本身精度帶來(lái)的微分非線(xiàn)性誤差。偏移誤差通常是轉(zhuǎn)角傳感器自身零位和方向盤(pán)零位之間的偏差，可以通過(guò)零位調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。除了這些誤差以外，由于溫度和使用壽命等因素影響，還會(huì)帶來(lái)一些誤差。對(duì)于不同的車(chē)型，對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器的精度要求不同，可以根據(jù)不同的要求，有針對(duì)性地采取一些降低誤差的措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)磁電式轉(zhuǎn)角傳感器的工作原理，闡述了這種傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子軟硬件的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)誤差分析闡述了在車(chē)上的具體應(yīng)用。該傳感器滿(mǎn)足了車(chē)上不同部件需求，并且依靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、品質(zhì)可靠、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在不同等級(jí)的汽車(chē)上。