一款基于CAN總線的方向盤轉角傳感器的設計

2020-06-29 06:07:46溫偉

汽車電器 2020年6期

溫偉

（山西中航錦恒科技有限公司，山西太原 030032）

隨著汽車電控技術飛速發展，以及人們對汽車駕駛方面的舒適、穩定、安全等要求的提高，車身電子穩定系統（Electronic Stability Program，ESP）和電動助力轉向系統（Electronic Power Steering，EPS）成為汽車的標配，轉角傳感器作為系統的重要組成部分，一般安裝在方向盤下部，提供方向盤角度位置和角度變化率，作為ESP和EPS控制單元動作的依據之一。轉角傳感器主要分為接觸和非接觸式兩類，非接觸類中有磁電式轉角傳感具有精度高、抗干擾性強、結構簡單等優點，該款轉角傳感器選擇巨磁阻傳感器方式來實現。

1 工作原理及系統結構

由于一個GMR傳感器僅能在360°范圍內進行測量，無論對商用車還是乘用車來說，都無法滿足方向盤轉動角度的測量。為解決測量量程的問題，采用兩片傳感器芯片90齒主動大齒輪A，以及兩個齒數不相同的從動小齒輪B和C，分別為30齒和26齒，可測量角度范圍為±780°。

轉角傳感器由上殼體、下殼體、主動大齒輪、兩個從動小齒輪、兩片磁鋼、箍環、PCB板組成。主動大齒輪分別和兩個從動小齒輪嚙合，從動小齒輪中心固定兩片徑向充磁的圓柱形磁鐵，磁鐵正上方是固定在線路板上的兩片巨磁阻傳感器；3個齒輪由箍環固定，使3個齒輪組成一個整體，可有效減小零件間的間隙導致的測量誤差。

轉角傳感器一般和時鐘彈簧一起安裝在方向盤轉角管柱上，當方向盤轉動時，由時鐘彈簧撥動主動大齒輪A，大齒輪A帶動兩個從動的小齒輪B和C轉動，兩個從動小齒輪中間安裝的徑向充磁的磁鋼，隨著從動小齒輪B和C轉動，磁鋼周圍的磁場方向發生變化，通過磁鋼正上方的兩個GMR傳感器將磁場變化轉換為數字量信號，MCU通過SPI接口讀取信號，讀取flash中存儲的標定數據，通過標定數據和讀取到的tle5012B數據計算出兩個從動小齒輪的角度信息，通過算法計算出方向盤的絕對位置轉角，結合使用之前所置的0位，得到當前方向盤轉過的角度和方向，通過CAN總線發送到ECU。傳感器結構如圖1所示。

圖1 傳感器結構圖

2 傳感器硬件設計

硬件平臺框圖如圖2所示。

圖2 硬件平臺框圖

2.1 傳感器模塊

選用汽車級應用的高精度角度測量芯片TLE5012B，用來感應從動小齒輪轉動時磁場強度的變化，并轉為數字信號輸出給MCU，如圖3所示。

圖3 傳感器模塊

TLE5012B集成了2個GMR全橋，2個GMR-ADC單元，1個溫度傳感器，1個DSP單元，數據更新率可達43μs，磁場感應范圍30～50mT，溫度范圍-40～150℃，1個SPI通信接口，16bit精度正余弦，數字傳輸接口可有效地提高抗干擾度。圖4為TLE5012B內部框圖。

圖4 TLE5012B內部框圖

2.2 MCU模塊

微控制單元選擇Microchip公司生產的28腳封裝的8位低功耗高性能單片機PIC18F25K83，可用于工業和汽車應用。

芯片自帶的時鐘模塊可提供最高64MHz的工作頻率，32KB flash程序存儲空間、2KB SRAM、1KB EEPROM，包含豐富的外設接口（CAN、SPI、I2C、UARTs、LIN、DMX等通信外設，4路12bit AD，4路10bit PWM等）。工作溫度范圍-40～125℃。

2.3 電源模塊

MCU、GMR傳感器及CAN芯片所需5V工作電壓由電源芯片TLE42694提供。原理圖如圖5所示。

輸入電壓-42～45V，輸出電壓5V±2%，最大輸出電流150mA，具有溫度保護、反接保護、輸出限制等特性，工作溫度范圍-40～125℃。

2.4 CAN通信及調試模塊

控制單元內置CAN控制器，總線數據的封裝、讀取發送由控制器完成，與總線上連接需外接CAN總線收發器，選用TLE6250G。CAN通信接口電路圖如圖6所示，調試接口電路圖如圖7所示。

3 傳感器軟件設計

圖5 原理圖

圖6 CAN通信接口電路圖

將齒輪的轉動轉化為方向盤轉動的角度和角速度，需要通過軟件來實現。轉角傳感器軟件主要由傳感器數據采集單元、絕對角度計算單元、標定計算單元、零位處理單元、數據處理及通信單元、診斷單元這幾部分構成。其中各單元的數據傳遞都需要診斷單元的配合，以保證數據傳輸的準確性。最后處理過的數據經過通信單元按照約定好的數據協議和整車進行數據通信，以實現轉角傳感器的功能。軟件總流程如圖8所示。

當主動齒輪轉動時，兩個從動齒輪的轉動位置滿足圖9上的位置關系，-780°到0的范圍內差值唯一，0到780°范圍內的差值唯一，但兩個區域范圍直線相位相差180°，通過固定差值和相位差180°，計算出主動齒輪的轉動角度和角速度θ=f（α，β）。