磁阻式傳感器在E P S中的應(yīng)用

畢玲峰，高 明

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

EPS的英文全稱是Electronic Power Steering，它利用電動機(jī)產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進(jìn)行動力轉(zhuǎn)向。其基本工作原理是：不轉(zhuǎn)向時，電動機(jī)不工作；當(dāng)轉(zhuǎn)向時，扭矩傳感器將檢測到的動力作用于轉(zhuǎn)向盤上的扭矩信號傳送給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(jìn)行處理后，向電動機(jī)發(fā)出指令，電動機(jī)據(jù)此輸出與之相應(yīng)大小及方向的扭矩以產(chǎn)生助力，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的實(shí)時控制。傳統(tǒng)的電動助力轉(zhuǎn)向器的扭矩傳感器大都采用接觸式方式，并且只能檢測轉(zhuǎn)向的扭矩，并不能檢測轉(zhuǎn)向角度，并且因?yàn)槠浣佑|式測量方式，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(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能［1］。我們設(shè)計(jì)的新型的非接觸式傳感器，利用磁阻效應(yīng)的原理，實(shí)現(xiàn)了非接觸測量，并且能夠同時測量扭矩和角度及其方向。因?yàn)榉墙佑|測量，傳感器的壽命也大大延長，并且其測量精度也不會因?yàn)榻佑|測量的磨損而有所降低［2］。

1 磁阻式傳感器的原理

利用基于磁阻芯片KMT36H的非接觸式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由被測部件、磁阻傳感器、信號預(yù)處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)顯示系統(tǒng)組成［3］。其中磁阻傳感器包括角度傳感器和扭矩傳感器，它們的核心芯片為KMT36H。

1.1 磁阻傳感器的角度測量原理

半導(dǎo)體材料根據(jù)外部磁場方向和大小的變化而相應(yīng)改變阻抗的特性稱為磁阻效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體材料的外部磁場達(dá)到其飽和磁場強(qiáng)度，其阻抗的改變只和磁場的方向有關(guān)。KMT36H就是根據(jù)此原理來測量角度和扭矩的。如下圖2所示，將傳感器和永磁鐵按圖示位置安裝［4］。此時要求永磁鐵的磁場強(qiáng)度大于傳感器的飽和磁場強(qiáng)度，當(dāng)永磁鐵在傳感器的上方旋轉(zhuǎn)或者平行移動時，傳感器內(nèi)部的三路電橋 （如圖3所示）上的電阻會根據(jù)磁場方向的改變而改變，從而傳感器的三路模擬輸出信號VO1、VO2和VO3隨之改變。則，磁場變化的角度為

式（1）中 V1=VO2-VO1，V2=VO3-VO2，V3=VO1-VO3。

但是由于此芯片只能實(shí)現(xiàn)0°~180°的測量范圍，而EPS的角度測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此量程，所以一塊芯片是無法滿足EPS的功能需求的。所采用的裝置如圖4所示。該裝置為轉(zhuǎn)向軸上套一個大齒輪，同時大齒輪嚙合兩個小齒輪，并且兩個小齒輪的齒數(shù)相差1。兩個小齒輪隨大齒輪旋轉(zhuǎn)，由于兩小齒輪的齒數(shù)不一致，所以根據(jù)兩個小齒輪轉(zhuǎn)過的相位差即可算出大齒輪轉(zhuǎn)過的絕對角度。

1.2 磁阻傳感器的扭矩測量原理

測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的扭矩，可以從測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在扭矩的作用下產(chǎn)生的彈性變形出發(fā)，測量被測量件的輸入端和輸出端之間的相對夾角，從而計(jì)算系統(tǒng)被施加的扭矩。

磁場的方向在磁鐵的兩極改變的方向?yàn)?80°。因?yàn)樾酒鄬Υ盆F的運(yùn)動位移很小，可以近似為直線。當(dāng)磁阻芯片測量的磁場角度變化時，利用磁鐵的磁極距和芯片和磁鐵的旋轉(zhuǎn)半徑，可以就算得出輸入軸部件和輸出軸部件的相對轉(zhuǎn)角為［5］：

式（2）中a為磁場變化的角度；R為芯片和磁鐵的旋轉(zhuǎn)半徑；L為磁鐵的磁極距。

2 角度傳感器和扭矩傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

基于以上測量的基本原理，對角度傳感器和扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)作了以下設(shè)計(jì)。

2.1 角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)KMT36H的測量原理圖，將該原理電路圖制成雙面PCB電路板，其中一面主要布置2個KMT36H，另一面為測量電路所需的其他電器元件。并設(shè)計(jì)大齒輪和隨動的2個小齒輪。這里的齒輪幾乎不傳遞力矩，只起傳動作用，所以采用塑料澆鑄成型即可。圖5即為根據(jù)上述原理制作的實(shí)物裝置。

2.2 扭桿彈簧的設(shè)計(jì)

扭桿彈簧的設(shè)計(jì)如圖6。其工作直桿部分為實(shí)心圓柱直桿。保證扭桿輸入端在外加力矩的作用下，兩連接端面之間的偏轉(zhuǎn)角不超過±5°，采用等效長度方法確定其長度，兩端采用花鍵連接。材料選用45鋼。

2.3扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖7所示。圖8為其效果圖。如圖8裝置所示，輸入軸部件1與扭桿是通過花鍵連接固定在一起的，輸出軸部件5與扭桿之間是通過另一個花鍵連接固定。從外觀看輸入軸和輸出軸并沒有直接連接在一起，但內(nèi)部卻通過扭桿相連接。轉(zhuǎn)角傳感器2與輸入軸1連接固定在一起，可以計(jì)算絕對的轉(zhuǎn)角。托盤a和輸出軸部件1通過過盈配合連接在一起，托盤b和輸出軸部件4通過過盈配合連接在一起。磁鐵安裝在托盤a上，磁阻傳感器組件6（如圖8所示）安裝在托盤b上。當(dāng)在輸入軸1加載扭矩時，磁鐵7和磁阻傳感器組件6之間有相對轉(zhuǎn)動，可以測得相對轉(zhuǎn)角，利用相對轉(zhuǎn)角進(jìn)而可以計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述的測量原理，制作了實(shí)際的轉(zhuǎn)角和扭矩測量裝置，并在相關(guān)汽車試驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。在0°～180°范圍內(nèi)，以每30°為步進(jìn)單位進(jìn)行測量，在 180°～720°范圍內(nèi)，以每 90°為步進(jìn)單位進(jìn)行測量。測量的結(jié)果如表1所示。

表1 角度測量結(jié)果

在0~5 N·m范圍內(nèi)，以每0.5 N·m為步進(jìn)單位進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 扭矩測量結(jié)果

4 結(jié)論

由表1和表2的測量結(jié)果顯示，磁阻傳感器在角度和扭矩時的測量精度能夠達(dá)到一般裝車要求，且經(jīng)過多次試驗(yàn)測試，所得數(shù)據(jù)在處理后其線性度并無大的變化，傳感器的重復(fù)性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足EPS系統(tǒng)要求。

［1］裴錦華，李明.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動的匹配研究［J］.汽車科技，2010，05（3）.

［2］ Ichiro Tokunaga ，Hirofumi Okumura ，Yuichi Shonai ，oshio Ogawa.Development of the noncontact steering angle sensor using a giantmagnetoresistive element［J］.SAE paper 2007-01-0395，2007.

［3］賀貴芳，李瑞霞，劉杰.汽車與工程機(jī)械用傳感器［M］。北京：人民交通出版社，2002，4.

［4］梁長垠.磁阻式傳感器在角度測量中的應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)，2005，24（4）.

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