王加熙+楊明

摘要：文章基于磁阻效應(yīng)設(shè)計(jì)非接觸式EPS角度傳感器，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心，配合CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案。該傳感器系統(tǒng)可以非接觸式的測量角度。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明該傳感器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的角度傳感器相比，精度高、可靠性好、應(yīng)用范圍廣，且體積小、成本低。

關(guān)鍵詞：磁阻效應(yīng)；EPS；單片機(jī)；CAN；角度傳感器；

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）07-0014-04

1 概述

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，簡稱EPS）是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車者進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)向。其基本工作原理是：不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作；當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，傳感器將檢測到的動(dòng)力作用于轉(zhuǎn)向盤上的信號傳送給ECU，ECU同時(shí)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(dòng)機(jī)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)據(jù)此輸出與之相應(yīng)大小及方向的以產(chǎn)生助力，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)控制。傳統(tǒng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的傳感器大都采用接觸式方式，因其接觸式的測量方式，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(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。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，能夠測量角度及其方向，傳感器壽命也大大延長，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 磁阻傳感器工作原理

圖1 磁阻效應(yīng)示意

磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。

而當(dāng)半導(dǎo)體所處外部磁場的磁場強(qiáng)度達(dá)到飽和的時(shí)候，其阻抗改變僅與磁場方向有關(guān)，被稱之為各向異性磁阻效應(yīng)AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）。半導(dǎo)體與磁化方向平行時(shí)電阻Rmax最大，電流與磁化方向垂直時(shí)電阻Rmin最小，若電流與磁化方向成角θ時(shí)，電阻可表示為：

磁阻傳感器設(shè)計(jì)需充分考慮到磁阻效應(yīng)里磁場飽和狀態(tài)下阻抗變化僅與磁場方向相關(guān)的特性，依據(jù)此原理可以快速準(zhǔn)確的測出角度，抗干擾特性較好，更為

便捷。

在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對輸出的影響，由4個(gè)相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基本電橋

根據(jù)磁阻效應(yīng)電阻公式及惠斯通電橋可以計(jì)算出該電橋在θ角的飽和磁場中輸出為：

其中令，則

Us為磁阻傳感器工作電壓，K為惠更斯電橋類磁阻芯片固有常數(shù)。

K指作為磁阻傳感器的固有屬性，理論上是一個(gè)常數(shù)，但實(shí)際會因溫度、濕度等外部環(huán)境的變化影響而發(fā)生改變，且單電橋磁阻角度傳感器的角度測量范圍僅為90°，兩者都會給實(shí)際角度測量帶來不便。

3 磁阻傳感器在EPS中的應(yīng)用

在汽車EPS中，轉(zhuǎn)角傳感器可以基于多種原理來實(shí)現(xiàn)，如光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、電阻分壓效應(yīng)、可變電容等。不同的實(shí)現(xiàn)方式要對應(yīng)不同的信號處理策略，其優(yōu)劣性對比如下：

圖3 角度傳感器分類

3.1 電阻式轉(zhuǎn)角傳感器

電阻式轉(zhuǎn)角傳感器的理論依據(jù)是電阻的分壓原理，它能夠通過方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電阻器上的滑動(dòng)觸電，屬于絕對型接觸式傳感器，滑動(dòng)觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中存在著機(jī)械摩擦，滑動(dòng)觸點(diǎn)易磨損，并且工作時(shí)易產(chǎn)生噪聲，以及體積大不便于安裝等一系列缺點(diǎn)。

3.2 光電感應(yīng)式角度傳感器

光電感應(yīng)式轉(zhuǎn)角傳感器也就是我們通常所說的光電編碼器。它的工作原理是：安裝在方向盤管柱上的轉(zhuǎn)角傳感器跟隨方向盤轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)光敏元器件會接受到光照，光敏元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號并經(jīng)過信號調(diào)理電路的整形和放大后變?yōu)殡妷好}沖輸出。由于是基于光電感應(yīng)原理，它的工作需要光源，安裝要求較高，存在溫度票移和繞線問題以及造價(jià)較高易于損壞的缺點(diǎn)。

3.3 電子電容式轉(zhuǎn)角傳感器

這種傳感器由于只有電子電路構(gòu)成，沒有敏感元器件。缺點(diǎn)在于大量電子部件的存在使得電路的結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，而且很容易受到電磁干擾，因此電子式轉(zhuǎn)角傳感器的測量精度不高，不適合用于高精度要求的電動(dòng)助力系統(tǒng)中。

3.4 霍爾（磁電）式轉(zhuǎn)角傳感器

霍爾式轉(zhuǎn)角傳感器是由磁敏元件構(gòu)成的集成傳感器，它由霍爾敏感元件、信號調(diào)理電路和數(shù)字信號處理器構(gòu)成。它的工作原理是：將磁鐵安裝在霍爾敏感芯片的上方，霍爾敏感元件能夠?qū)⒋艌龅淖兓D(zhuǎn)化脈沖信號，經(jīng)處理放大計(jì)算出轉(zhuǎn)角信號。優(yōu)點(diǎn)是磁敏感范圍較大，抗振動(dòng)干擾和噪聲干擾的能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固、體積小便于安裝，能夠在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下保持較高的靈敏度和測量精度以及造價(jià)相對比較便宜。因此，盡管霍爾式傳感器存在一定的溫漂。EMC磁屏蔽設(shè)計(jì)要求較高，但依然是目前汽車電控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)角傳

感器。

3.5 磁阻式角度傳感器

磁阻式傳感器也是基于磁電效應(yīng)原理的轉(zhuǎn)角傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是：抗噪聲抗震動(dòng)能力強(qiáng)，測量精度和分辨率高，性能穩(wěn)定使用壽命長。但是由于目前對磁阻敏感元件的制作工藝技術(shù)不是很成熟，目前國內(nèi)對于汽車用磁阻式傳感器的研究相對較少，國外對于汽車用磁阻傳感器的研究比較成功的企業(yè)也相對較少。

磁阻式角度傳感器與其他類型比較有如下優(yōu)勢：

根據(jù)性能比較可以看出磁阻式和霍爾編碼式角度傳感器性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型，其耐污染、抗震動(dòng)、抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)勢令其在汽車上的應(yīng)用極為普遍。而磁阻式與霍爾式相比較，又具有在低磁場強(qiáng)度下的高敏感度及高分辨率，因此，本文選用磁阻式傳感器作為EPS的轉(zhuǎn)角測量元件。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個(gè)惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的三角函數(shù)輸出信號，一個(gè)是cos2θ，另一個(gè)是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內(nèi)部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據(jù)各向異性磁阻效應(yīng)原理，兩個(gè)同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關(guān)系為：

傳感器這種電路設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢有效去除了計(jì)算轉(zhuǎn)角θ中K值對系統(tǒng)測量精度的影響，且便于開發(fā)實(shí)時(shí)的角度測量系統(tǒng)。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數(shù)的周期性，導(dǎo)致該芯片計(jì)算角度時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)0-180°范圍內(nèi)角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續(xù)旋轉(zhuǎn)多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達(dá)到720°以上，對于EPS中方向盤系統(tǒng)需要360°旋轉(zhuǎn)角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個(gè)小齒輪，設(shè)大齒輪（主動(dòng)齒輪）齒數(shù)為m，從動(dòng)齒輪1齒數(shù)為m1，從動(dòng)齒輪2齒數(shù)為m2。設(shè)主軸齒輪的行程為n周，則從動(dòng)齒輪2在行程內(nèi)一共轉(zhuǎn)過（m*n/m2）*360°，從動(dòng)齒輪1共轉(zhuǎn)過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個(gè)行程的絕對角位置與2個(gè)從動(dòng)齒間的角位置關(guān)系一一對應(yīng)，有

2個(gè)KMT32B分別檢測出2個(gè)從動(dòng)齒輪的角度，根據(jù)角度差值情況就能測得主動(dòng)齒輪的角度值。

根據(jù)最后換算公式可知，當(dāng)從動(dòng)齒輪1和從動(dòng)齒輪2差值越小，該角度測量系統(tǒng)的量程越大，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪比值越大，傳感器體積越?。痪C合考慮轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)尺寸大小，并且盡量讓兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)接近，本文設(shè)定的兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為17，18；既M*n<306；而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，這設(shè)定n=6，m=51。

5 EPS轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統(tǒng)ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優(yōu)化和改善EPS系統(tǒng)的電動(dòng)助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統(tǒng)對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于磁阻效應(yīng)的非接觸式方向盤絕對轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心，配合其中CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)MC9S08DZ60、CAN通信網(wǎng)絡(luò)、EPS控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中2個(gè)磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經(jīng)過信號預(yù)處理電路的調(diào)理后輸入到信號電子處理單元中進(jìn)行實(shí)時(shí)的角度計(jì)算。電子處理單元依據(jù)事先植入的絕對角度算法程序計(jì)算并輸出方向盤的絕對轉(zhuǎn)角。

圖8 轉(zhuǎn)角計(jì)算

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研制出實(shí)際的轉(zhuǎn)角測量裝置，并在相應(yīng)的角度檢測設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結(jié)果如表2所示。

在0°～2160°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表可見全角范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結(jié)語

由表1的測量結(jié)果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達(dá)到一般車載EPS系統(tǒng)要求，且經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設(shè)計(jì)的角度傳感器系統(tǒng)的重復(fù)性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實(shí)驗(yàn)證明角度測量傳感器系統(tǒng)具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)，特別是其多圈角度測量的設(shè)計(jì)方案合理，值得在車輛轉(zhuǎn)向角度測量中推廣，相信這一思路方向發(fā)展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 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）.

[2] 畢玲峰，高明.磁阻式傳感器在EPS中的應(yīng)用[J].

汽車科技，2012，3（5）.

[3] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì).北京：科學(xué)出版

社，2002.

[4] 鄭然.基于AMR效應(yīng)的磁阻位移傳感器設(shè)計(jì)[D].

西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 林邵華.霍爾傳感器原理及其在車川傳感器中的應(yīng)

用[J]，輕型汽車技術(shù)，2003，12（5）：14-16.

作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學(xué)自動(dòng)化系工程師，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個(gè)惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的三角函數(shù)輸出信號，一個(gè)是cos2θ，另一個(gè)是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內(nèi)部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據(jù)各向異性磁阻效應(yīng)原理，兩個(gè)同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關(guān)系為：

傳感器這種電路設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢有效去除了計(jì)算轉(zhuǎn)角θ中K值對系統(tǒng)測量精度的影響，且便于開發(fā)實(shí)時(shí)的角度測量系統(tǒng)。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數(shù)的周期性，導(dǎo)致該芯片計(jì)算角度時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)0-180°范圍內(nèi)角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續(xù)旋轉(zhuǎn)多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達(dá)到720°以上，對于EPS中方向盤系統(tǒng)需要360°旋轉(zhuǎn)角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個(gè)小齒輪，設(shè)大齒輪（主動(dòng)齒輪）齒數(shù)為m，從動(dòng)齒輪1齒數(shù)為m1，從動(dòng)齒輪2齒數(shù)為m2。設(shè)主軸齒輪的行程為n周，則從動(dòng)齒輪2在行程內(nèi)一共轉(zhuǎn)過（m*n/m2）*360°，從動(dòng)齒輪1共轉(zhuǎn)過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個(gè)行程的絕對角位置與2個(gè)從動(dòng)齒間的角位置關(guān)系一一對應(yīng)，有

2個(gè)KMT32B分別檢測出2個(gè)從動(dòng)齒輪的角度，根據(jù)角度差值情況就能測得主動(dòng)齒輪的角度值。

根據(jù)最后換算公式可知，當(dāng)從動(dòng)齒輪1和從動(dòng)齒輪2差值越小，該角度測量系統(tǒng)的量程越大，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪比值越大，傳感器體積越?。痪C合考慮轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)尺寸大小，并且盡量讓兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)接近，本文設(shè)定的兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為17，18；既M*n<306；而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，這設(shè)定n=6，m=51。

5 EPS轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統(tǒng)ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優(yōu)化和改善EPS系統(tǒng)的電動(dòng)助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統(tǒng)對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于磁阻效應(yīng)的非接觸式方向盤絕對轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心，配合其中CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)MC9S08DZ60、CAN通信網(wǎng)絡(luò)、EPS控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中2個(gè)磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經(jīng)過信號預(yù)處理電路的調(diào)理后輸入到信號電子處理單元中進(jìn)行實(shí)時(shí)的角度計(jì)算。電子處理單元依據(jù)事先植入的絕對角度算法程序計(jì)算并輸出方向盤的絕對轉(zhuǎn)角。

圖8 轉(zhuǎn)角計(jì)算

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研制出實(shí)際的轉(zhuǎn)角測量裝置，并在相應(yīng)的角度檢測設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結(jié)果如表2所示。

在0°～2160°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表可見全角范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結(jié)語

由表1的測量結(jié)果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達(dá)到一般車載EPS系統(tǒng)要求，且經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設(shè)計(jì)的角度傳感器系統(tǒng)的重復(fù)性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實(shí)驗(yàn)證明角度測量傳感器系統(tǒng)具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)，特別是其多圈角度測量的設(shè)計(jì)方案合理，值得在車輛轉(zhuǎn)向角度測量中推廣，相信這一思路方向發(fā)展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì).北京：科學(xué)出版

社，2002.

[4] 鄭然.基于AMR效應(yīng)的磁阻位移傳感器設(shè)計(jì)[D].

西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 林邵華.霍爾傳感器原理及其在車川傳感器中的應(yīng)

用[J]，輕型汽車技術(shù)，2003，12（5）：14-16.

作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學(xué)自動(dòng)化系工程師，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。

本文選擇的KMT32B磁阻角度測量芯片利用兩個(gè)惠斯通電橋，則平行于芯片表面（X-Y平面）的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的三角函數(shù)輸出信號，一個(gè)是cos2θ，另一個(gè)是sin2θ，θ即為傳感器和磁場方向的夾角。KMT32B芯片內(nèi)部電路電橋如圖4所示：

圖4 傳感器電橋

圖5 KMT32B輸出信號

根據(jù)各向異性磁阻效應(yīng)原理，兩個(gè)同樣的磁阻元件若與磁場夾角方向不一致，則磁阻元件的阻值隨磁場方向改變的相位差與兩元件的夾角成正比。而KMT32B則巧妙的利用圖中簡單的兩組電橋輸出信號擺放位置，使兩路信號輸出差90°相位，則兩路模擬輸出信號Vo1、Vo2與磁場變化角度之間關(guān)系為：

傳感器這種電路設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢有效去除了計(jì)算轉(zhuǎn)角θ中K值對系統(tǒng)測量精度的影響，且便于開發(fā)實(shí)時(shí)的角度測量系統(tǒng)。

圖6 角度傳感器三維原理圖

但由于三角函數(shù)的周期性，導(dǎo)致該芯片計(jì)算角度時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)0-180°范圍內(nèi)角度的測量，而汽車上如方向盤之類的器件，要求能連續(xù)旋轉(zhuǎn)多圈以上，角度范圍必然超過360°，甚至達(dá)到720°以上，對于EPS中方向盤系統(tǒng)需要360°旋轉(zhuǎn)角度的測量需求尚無法滿足，這就需要我們對該角度測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用KMT32B完成多圈角度測量。

如圖所示該裝置為大齒輪嚙合兩個(gè)小齒輪，設(shè)大齒輪（主動(dòng)齒輪）齒數(shù)為m，從動(dòng)齒輪1齒數(shù)為m1，從動(dòng)齒輪2齒數(shù)為m2。設(shè)主軸齒輪的行程為n周，則從動(dòng)齒輪2在行程內(nèi)一共轉(zhuǎn)過（m*n/m2）*360°，從動(dòng)齒輪1共轉(zhuǎn)過（m*n/m1）*360°，為了保證主軸在整個(gè)行程的絕對角位置與2個(gè)從動(dòng)齒間的角位置關(guān)系一一對應(yīng)，有

2個(gè)KMT32B分別檢測出2個(gè)從動(dòng)齒輪的角度，根據(jù)角度差值情況就能測得主動(dòng)齒輪的角度值。

根據(jù)最后換算公式可知，當(dāng)從動(dòng)齒輪1和從動(dòng)齒輪2差值越小，該角度測量系統(tǒng)的量程越大，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪比值越大，傳感器體積越??；綜合考慮轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)尺寸大小，并且盡量讓兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)接近，本文設(shè)定的兩個(gè)從動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為17，18；既M*n<306；而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，而設(shè)計(jì)的角度測量系統(tǒng)至少要能實(shí)現(xiàn)方向盤4圈角度的測量，這設(shè)定n=6，m=51。

5 EPS轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方向盤角度傳感器能夠檢測到方向盤角度的變化，它是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)控制器（ECU）的重要輸入信號。作為EPS系統(tǒng)ECU的重要控制信號之一，它的輸出信號精度能夠大大優(yōu)化和改善EPS系統(tǒng)的電動(dòng)助力方向盤回正性能。

按照汽車EPS系統(tǒng)對方向盤角度傳感器的測量范圍和測量精度的要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于磁阻效應(yīng)的非接觸式方向盤絕對轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)，采用8位飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)為核心，配合其中CAN模塊設(shè)計(jì)完整的車用磁阻角傳感器方案，其原理框圖如下：

圖7 非接觸式角度測量系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)主要由被測部件、磁阻角度傳感器、信號處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)MC9S08DZ60、CAN通信網(wǎng)絡(luò)、EPS控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中2個(gè)磁阻元件將感受到的磁鋼位置的變化經(jīng)過信號預(yù)處理電路的調(diào)理后輸入到信號電子處理單元中進(jìn)行實(shí)時(shí)的角度計(jì)算。電子處理單元依據(jù)事先植入的絕對角度算法程序計(jì)算并輸出方向盤的絕對轉(zhuǎn)角。

圖8 轉(zhuǎn)角計(jì)算

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研制出實(shí)際的轉(zhuǎn)角測量裝置，并在相應(yīng)的角度檢測設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。測試分量程范圍：0°～2160°，最終測量結(jié)果如表2所示。

在0°～2160°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表可見全角范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到±0.9°。

圖9 角度誤差測量數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，如圖10所示，誤差基本一致，平均誤差僅有±0.6°，且線性度較好。

6 結(jié)語

由表1的測量結(jié)果顯示：磁阻傳感器在角度測量精度能夠達(dá)到一般車載EPS系統(tǒng)要求，且經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)在處理后其線性度并無較大誤差，這就可以說明以該原理設(shè)計(jì)的角度傳感器系統(tǒng)的重復(fù)性很好，傳感器總體性能能夠很好地滿足車用傳感器要求。

實(shí)驗(yàn)證明角度測量傳感器系統(tǒng)具有其非接觸、絕對式、大范圍、小體積、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)，特別是其多圈角度測量的設(shè)計(jì)方案合理，值得在車輛轉(zhuǎn)向角度測量中推廣，相信這一思路方向發(fā)展的角度測量傳感器具有良好的市場需求。

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作者簡介：王加熙（1985—），男，江蘇鹽城人，上海交通大學(xué)自動(dòng)化系工程師，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。