李 寅

重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074

0 引言

自從1988年法國(guó)的費(fèi)爾發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)（簡(jiǎn)稱GMR）以來，該項(xiàng)技術(shù)迅速的發(fā)展，僅用了6年的時(shí)間就走出了實(shí)驗(yàn)室。1994年，IBM公司成功的將它應(yīng)用在了高速度的讀寫磁頭上，把記錄密度提高了十幾倍。而后幾年，巨磁電阻在磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等方面的應(yīng)用也得到了飛速的發(fā)展。

目前，在EPS電子控制技術(shù)當(dāng)中，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、良好工作的重要部件。本文從傳感器的基本原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和電路硬件幾個(gè)方面，探討了基于巨磁電阻在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器中的應(yīng)用。

大體上，可以將EPS上的傳感器分為：接觸式和非接觸式兩大類。接觸式傳感器工作原理簡(jiǎn)單，成本低，但由于觸點(diǎn)易損耗，測(cè)量精度差，將逐步被非接觸式傳感器所淘汰。隨磁場(chǎng)變化電阻值而變化的巨磁電阻，可以實(shí)現(xiàn)非接觸工作，有較好的應(yīng)用前景。

1 基本測(cè)量原理

如圖1所示，轉(zhuǎn)向軸分為上下兩端，通過一根彈性扭桿相連。方向盤與轉(zhuǎn)向軸上端剛性連接，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過的角度即是轉(zhuǎn)向軸上端的角度，而轉(zhuǎn)向軸下端與轉(zhuǎn)向器相連，即輸出軸。齒輪1通過主動(dòng)齒輪與上端相連，齒輪2與下端的輸出軸相連。

由材料力學(xué)可以知道

式中，?為扭桿扭角； T為扭桿扭矩；Ip為扭桿截面極慣性矩；G為扭桿材料剪切模量。

通過齒輪傳動(dòng)，扭矩的測(cè)量轉(zhuǎn)化為齒輪1、齒輪2轉(zhuǎn)角差的測(cè)量，方向盤轉(zhuǎn)角測(cè)量通過齒輪1 與齒輪3的轉(zhuǎn)角差可以實(shí)現(xiàn)。

齒輪1、2、3上分別裝有磁鐵，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)來改變磁場(chǎng)；中間為電路版，選用3塊英飛凌巨磁電阻芯片TLE5012、汽車級(jí)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

這種方法將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器集成在了一起，與目前國(guó)內(nèi)使用的EPS系統(tǒng)中多采集了轉(zhuǎn)角信號(hào)，有利于ECU對(duì)于主動(dòng)回正的控制，并且避免了貼應(yīng)變片工藝難、電路復(fù)雜，繞線等問題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了智能化處理，是未來EPS轉(zhuǎn)向傳感器的發(fā)展方向。

2 理論計(jì)算

英飛凌的TLE5012角度測(cè)量芯片的測(cè)量角度為0—360,而一般的方向盤的轉(zhuǎn)角范圍為-540-540，所以存在對(duì)方向盤圈數(shù)問題的處理。從理論計(jì)算可以知道，將齒輪1、2、3的轉(zhuǎn)角差控制在一定的范圍即可，現(xiàn)分析如下：

設(shè)齒輪的初始位置分別為α01、α02α03，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)θ后，齒輪的位置分別為α1、α2α3，齒輪1、2、3的傳動(dòng)比分別為n1、n2n3，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為C1、C2C3，則對(duì)于轉(zhuǎn)矩，可以列等式：

令Δθ=n2?，n1=n2，Δα0=α01?α02，Δα=α1?α2，ΔC=C1?C2將上式相減可以得到：Δθ=Δα0?Δα?ΔC×360+Δn×θ

當(dāng)?1 80＜Δθ＜180，即0＜Δθ+ 180＜360時(shí)，聯(lián)合上式可以得到：

所以扭桿的扭角可以求出：

最后由材料力學(xué)可以求出轉(zhuǎn)矩。

扭角和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，可以直接用扭角表示扭矩。同樣的方法可以證明只要齒輪1、3的轉(zhuǎn)角差只要在（-180，180），就可以求出方向盤的轉(zhuǎn)角。

3 硬件電路

測(cè)量電路的主要任務(wù)是：MCU從三個(gè)轉(zhuǎn)角芯片TLE5012讀取數(shù)據(jù)，加以計(jì)算修正，通過CAN口將信號(hào)輸送給ECU。因此電路設(shè)計(jì)應(yīng)該以MCU為核心，包括了角度傳感器芯片模塊，電源管理模塊、JTAG接口、串行通訊接口、CAN接口。

MCU具有SPI和CAN口，具備了對(duì)數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算、輸出、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的功能；角度傳感器芯片模塊是就是英飛凌的TLE5012芯片，可以測(cè)量0-360的轉(zhuǎn)角，是本方案的關(guān)鍵部件；CAN可以已很好的滿足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求；JTAG的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的在線編寫、調(diào)試、以及燒制，省卻了專門的編輯器。

4 結(jié)論

本文對(duì)于EPS用轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)角一體集成的傳感器的設(shè)計(jì)提出了一種整體結(jié)構(gòu)方案，并從理論上推導(dǎo)出了詳細(xì)的計(jì)算公式，搭建了基本的硬件框架。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向傳感器相比有以下有點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器的一體化，縮小了傳感器的尺寸，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)；

2）由于采用了TLE5012芯片，實(shí)現(xiàn)了傳感器的非接觸測(cè)量，可以使傳感器的使用壽命大大提高；

3）嵌入了MCU，傳感器實(shí)現(xiàn)了智能工作，工作的可靠性大大提高。

但這種傳感器如果要進(jìn)入真正的實(shí)現(xiàn)還有以下的工作需要進(jìn)行：

（1）嵌入式的智能傳感器需要通過軟件寫入程序來實(shí)現(xiàn)；

（2）需要對(duì)整個(gè)傳感器進(jìn)行各項(xiàng)性能的試驗(yàn)；

（3）由于TLE5012價(jià)格昂貴，需要對(duì)整個(gè)傳感器的成本進(jìn)行控制。

[1]張翔，錢政，陳從強(qiáng)，任雪蕊.巨磁電阻傳感器的特性測(cè)試與應(yīng)用前景[J].微納電子技術(shù),2007,7/8:165-167.

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