汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的開發(fā)應(yīng)用

張永東

（山西中航錦恒科技有限公司，山西 太原 030032）

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 （SAS）用于檢測(cè)車輛行駛過(guò)程中方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度，來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員的操作意圖，從而為車輛的其他控制系統(tǒng)如ESP、EPS、AFS、ADAS、PLA等提供控制動(dòng)作的依據(jù)，其精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系著行車安全。

汽車電控技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展，隨著市場(chǎng)對(duì)傳感器要求的不斷提高，出現(xiàn)了很多新型的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。本文所涉及到的新型轉(zhuǎn)角傳感器屬于數(shù)字非接觸式絕對(duì)值轉(zhuǎn)角傳感器，是基于巨磁阻 （GMR）效應(yīng)的角度傳感器。這種傳感器經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式多圈絕對(duì)角度的檢測(cè)，并通過(guò)CAN總線提供給ECU控制信號(hào)。

1 轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)形式

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器通常安裝在方向盤下方的轉(zhuǎn)向柱或時(shí)鐘彈簧上，采用3個(gè)齒輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

轉(zhuǎn)角傳感器基本組成及結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要有上、下殼體、3個(gè)齒輪組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，兩個(gè)磁鐵及對(duì)應(yīng)的兩個(gè)磁阻角度傳感器，電路板等組成。

圖1 傳感器基本組成及結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)角傳感器的工作原理

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝在方向盤下方，大齒輪A（90齒）隨方向盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，與兩個(gè)齒數(shù)不相等的從動(dòng)小齒輪B（26齒）和小齒輪C（30齒）嚙合。兩個(gè)小齒輪軸與傳感器外殼一起固定在車身，每個(gè)小齒輪上各設(shè)置有水平充磁的永磁體,隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),兩塊永磁體上方分別放置固定不動(dòng)的磁阻角度傳感器，通過(guò)微處理機(jī)可采集兩個(gè)小齒輪的轉(zhuǎn)角。

方向盤同軸固定的大齒輪帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于兩個(gè)小齒輪齒數(shù)不同，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)在不同的位置，兩個(gè)小齒輪會(huì)相差特定的角度。由于大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度與兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度差之間有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)三者角度關(guān)系，可由微處理機(jī)計(jì)算得到方向盤的絕對(duì)轉(zhuǎn)角，最大可以達(dá)到±2.16圈的絕對(duì)角度值，并微分計(jì)算出方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。齒輪輸出角度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 齒輪輸出角度關(guān)系曲線圖

3 轉(zhuǎn)角傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)角傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作作電壓12 V；工作電流<100 mA；角度測(cè)量范圍±780°；角度分辨率0.1°；角度精度±2.5°；角速度測(cè)量范圍0-1016°／s；角速度分辨率4°／s；角速度精度±15°／s；通訊接口CAN；更新頻率10 ms；工作環(huán)境溫度-40~90℃。

4 轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合主機(jī)廠轉(zhuǎn)角傳感器的技術(shù)要求，分別從測(cè)量原理、系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)方案、硬件電路、軟件編程等方面設(shè)計(jì)開發(fā)，具備轉(zhuǎn)角傳感器自主開發(fā)技術(shù)能力。

4.1 測(cè)量原理

轉(zhuǎn)角傳感器的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ與兩個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度（α，β）之間有特定的關(guān)系曲線 （見圖2）。分析、掌握三者角度關(guān)系的函數(shù)θ=f（α，β），建立計(jì)算機(jī)仿真軟件，為轉(zhuǎn)角算法軟件、齒輪及輪系設(shè)計(jì)、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測(cè)試及誤差分析等提供設(shè)計(jì)依據(jù)和分析工具。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)角傳感器采用IGN供電，包括測(cè)量模塊、電源模塊、MCU模塊、CAN模塊等。磁感應(yīng)芯片采集兩個(gè)測(cè)量齒輪的角度信號(hào)并通過(guò)SPI傳輸至MCU，MCU通過(guò)SAS算法處理計(jì)算出主齒輪角度，傳輸至CAN總線。系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖

4.3 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要工作是齒輪及輪系、永久磁鋼、傳感器殼體等機(jī)械零組件設(shè)計(jì)，及電路板外形、磁阻轉(zhuǎn)角傳感器位置等與結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。

輪系傳動(dòng)比對(duì)于傳感器量程、體積、軟件算法、設(shè)計(jì)制造精度、傳感器誤差容錯(cuò)率均有關(guān)聯(lián)。兩小齒輪齒差越小，傳感器量程越大；大齒輪與小齒輪的比值越大，傳感器體積越小。兩小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度差在360°以內(nèi)，與大齒輪轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)。

4.4 硬件電路

使用英飛凌 （Infineon）雙傳感器方案，基于兩個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量芯片進(jìn)行測(cè)量，正確標(biāo)定和初始化后，轉(zhuǎn)角信息在掉電時(shí)不丟失，因而在量程范圍內(nèi)可輸出絕對(duì)轉(zhuǎn)角位置，實(shí)現(xiàn)非接觸式多圈絕對(duì)角度檢測(cè)。在測(cè)量精度、分辨率、線性度、使用壽命等方面具有良好的性能。

轉(zhuǎn)角傳感器電路原理框圖見圖4，主要由兩個(gè)磁阻轉(zhuǎn)角傳感器、微處理器、CAN總線接口、調(diào)試接口、電源等組成。

圖4 電路原理框圖

4.5 軟件編程

轉(zhuǎn)角傳感器軟件采用嵌入式軟件，主要有微處理器初始化、方向盤零位設(shè)置、小齒輪轉(zhuǎn)角采樣、方向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算、方向盤角速度計(jì)算、CAN總線通訊、上電自檢測(cè)和周期自檢測(cè)等功能模塊組成。外部中斷程序用于標(biāo)定初始傳感器安裝角零位。軟件是轉(zhuǎn)角傳感器的重要部分，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，編程環(huán)境win7，編譯器keil4。巨磁阻傳感器角度CORDIC算法、CAN總線通訊協(xié)議規(guī)定是整個(gè)軟件編程的核心部分。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹工程化設(shè)計(jì)原則，有詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)文檔及版本管理等。

5 轉(zhuǎn)角傳感器的測(cè)試結(jié)果

按照設(shè)計(jì)方案開發(fā)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，通過(guò)模擬方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，實(shí)測(cè)所開發(fā)的轉(zhuǎn)角傳感器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的輸出角度，其結(jié)果滿足角度精度±2.5°的技術(shù)要求。如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)角傳感器輸出角度誤差分析圖

6 轉(zhuǎn)角傳感器的技術(shù)保障

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)資料的整理和分析，掌握了汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝等。在參照行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了內(nèi)部汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所有定型產(chǎn)品均按照產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的DV、PV試驗(yàn)驗(yàn)證，使產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)全過(guò)程有了可靠的技術(shù)依據(jù)和技術(shù)保障。

7 結(jié)束語(yǔ)

電子穩(wěn)定系統(tǒng) （ESP）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）是當(dāng)前汽車電控技術(shù)的熱點(diǎn)，隨著這些系統(tǒng)應(yīng)用的不斷普及，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的需求量將越來(lái)越大。目前，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器面臨著降低成本、提高使用壽命和可靠性的多方面要求，傳感器技術(shù)需要不斷發(fā)展，以滿足這些越來(lái)越高的使用要求。