劉 軍，秦書劍，周海森，賈林夕

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究

劉 軍，秦書劍，周海森，賈林夕

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

使用基于 Triaxis三軸霍爾原理的角度傳感器芯片 MLX90316和單片機MC9S08DZ16，通過對軟硬件進行設(shè)計，研制出成本低廉、測量精確、抗干擾性能好，具有一定智能的非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。該傳感器可以為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控單元提供精確的方向盤絕對位置角度值，并且可以通過軟件計算出方向盤轉(zhuǎn)動角速度、角加速度值。

線控轉(zhuǎn)向;角度傳感器;方向盤轉(zhuǎn)角;霍爾傳感器;MLX90316;非接觸式

隨著汽車產(chǎn)量的增加，人們對汽車安全性、舒適性的要求也越來越高。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性和主動安全性的關(guān)鍵所在，因此新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直是汽車領(lǐng)域的研究熱點之一。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(steer by wire，SBW)同時兼有EPS和AFS的特征和功能。它取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間的機械連接，擺脫了機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的限制，不僅可以對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性進行設(shè)計，還可以對其角傳遞特性進行設(shè)計。因此，對提高“人－車－路”閉環(huán)系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性和主動安全性具有重要意義［1－2］。目前的研究主要集中在線控轉(zhuǎn)向的控制策略方面，很少提及方向盤角度的獲取方法［3］。實際上，方向盤角度的獲取是線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過計算方向盤的轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)角變化速率來識別駕駛員的操作意圖，從而為線控轉(zhuǎn)向控制單元提供控制動作的依據(jù)。本文設(shè)計了一種基于Triaxis三軸霍爾技術(shù)的非接觸式絕對轉(zhuǎn)角傳感器。

1 絕對轉(zhuǎn)角傳感器的原理與結(jié)構(gòu)

1.1 角度傳感器工作原理

MLX90316芯片是傳感器的核心部件。該芯片采用5 V供電，具有數(shù)字串行輸出SPI功能，可輸出14 bit計算后的角度信號，其測量精度達(dá)到了12 bit的角度分辨率。

平行于芯片表面的磁場(例如B∥)可被Triaxis三軸傳感器的前端感應(yīng)到。傳感器的前端包括相互正交的2對傳統(tǒng)平面霍爾元件和1個集磁片IMC(如圖1所示)。B∥在2個分量方向上分別測量得到BX∥和BY∥。芯片通過集磁片(IMC)將這2個平行的分量(分別為BX∥和BY∥)變換為與之成正比的2個垂直方向上的分量(分別為 BX⊥和BY⊥)，再通過芯片中的傳統(tǒng)平面霍爾元件來測量這2個垂直分量。

圖1 Triaxis傳感器前端

當(dāng)磁石(徑向磁化)在芯片表面旋轉(zhuǎn)時，MLX90316可以感應(yīng)與芯片表面平行的磁場。如圖2所示，芯片傳感部分將產(chǎn)生2個正交的差分信號(正弦和余弦信號)。這2個霍爾信號利用經(jīng)典的漂移電壓消除技術(shù)(霍爾元件四相位旋轉(zhuǎn)和斬波放大器)，通過一個差分式全模擬處理鏈進行處理。經(jīng)過處理的模擬信號由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給DSP模塊做后續(xù)處理。芯片的DSP模塊采用16bitRISC微處理器，其主要功能是對2個原始的霍爾信號通過式(1)計算其角度位置信號。

由于“ATAN”運算用于比值“VY/VX”，而由間隙、溫度以及老化等因素變化引起的磁場強度變化都將以同等程度作用于2個信號上，因此得到的角度信號本身就具有自適應(yīng)補償?shù)奶攸c。這一特性使得該芯片相比傳統(tǒng)的線性霍爾芯片在溫度變化時的精確度得到了較大的提升［4－5］。

圖2 輸出信號:Vx∝cos(α)，VY∝sin(α)

1.2 轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因為線控轉(zhuǎn)向的特性是低速行駛時轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度。因此，線控轉(zhuǎn)向中方向盤一般轉(zhuǎn)角為±540°，而MLX90316轉(zhuǎn)角傳感器的測量范圍是 －180°～180°。為了將方向盤的轉(zhuǎn)動角度和傳感器的角度唯一對應(yīng)起來，采用了1∶4的傳動比［6］。

如圖3所示:轉(zhuǎn)角傳感器的齒輪1與電機的轉(zhuǎn)向柱固定連接;齒輪1與齒輪2相嚙合，其傳動比是1∶2;齒輪2與齒輪3通過轉(zhuǎn)軸1固連在一起;齒輪3與齒輪4又相嚙合，其傳動比也是1∶2，這樣就得到了1∶4的傳動比。

圖3 角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 角度傳感器電路硬件設(shè)計

電路中需要采用芯片MLX90316來感應(yīng)磁鋼轉(zhuǎn)動時的磁場變化，并將該變化轉(zhuǎn)化成方向盤轉(zhuǎn)角。電路硬件部分要實現(xiàn)的功能是捕獲磁場的轉(zhuǎn)動量并將其轉(zhuǎn)換為方向盤的轉(zhuǎn)角。本文選用轉(zhuǎn)角芯片MLX90316和單片機MC9S08DZ16來分別完成以上任務(wù)。MC9S08DZ16是飛思卡爾公司的8位單片機，自帶功能豐富。在本系統(tǒng)中主要利用了單片機的SPI模塊和MLX90316進行數(shù)據(jù)傳輸。在傳感器和單片機之間傳輸數(shù)字型數(shù)據(jù)意味著可以降低易感性干擾。MC9S08DZ16還可以通過CAN總線模塊和其他模塊進行通信［7］。CAN總線的部分接口電路如圖4所示。

圖4 CAN總線的部分接口電路

單片機以主機身份通過 SPI接口接受MLX90316傳來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)變成相對應(yīng)的方向盤角度值，通過CAN總線與發(fā)動機的ECU進行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給ECU。

3 角度傳感器軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程主要包括處理器初始化模塊、預(yù)置的FLASH數(shù)據(jù)讀取模塊、MLX90316的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊以及傳感器中斷置零模塊［8］，如圖5所示。

3.2 方向盤絕對位置轉(zhuǎn)角計算程序

當(dāng)傳感器安裝到驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向柱上時，磁鋼與方向盤的位置角度值一一對應(yīng)，則方向盤的回正位置對應(yīng)一個磁鋼的位置角度值，將此角度設(shè)為絕對零度α0。傳感器安裝后，先將方向盤轉(zhuǎn)到回正位置，此時通過外部按鍵產(chǎn)生置零中斷，從中斷處讀取數(shù)值并存入FLASH中。之后每次上電均讀取該值作為方向盤絕對位置角度計算的參考零點，這樣即可計算出方向盤的絕對位置轉(zhuǎn)角。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

磁鋼相對于參考零點的轉(zhuǎn)角為:Absolute_Angle=α－α0;方向盤的絕對轉(zhuǎn)角:Steer_Angle=(α－α0)×4;傳感器通過讀取下一次的角度Absolute _Angle減去前一次讀取的Pre_Absolute_Angle的差的正負(fù)就可以判斷方向盤的轉(zhuǎn)動方向，并且還可通過積分或者微分的原理計算出轉(zhuǎn)動的角加速度和角速度［9］。方向盤絕對轉(zhuǎn)角計算的程序如下:

4 實驗結(jié)果

固定好角度傳感器，采用步進電機帶動磁鋼進行轉(zhuǎn)動，每隔15°進行方向盤實際角度的測量。實際角度值和誤差的關(guān)系如圖6所示。

圖6 方向盤轉(zhuǎn)角測量誤差

5 結(jié)論

由實驗分析結(jié)果可知:該非接觸式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器基于三軸霍爾原理設(shè)計，可以滿足線控對轉(zhuǎn)向方向盤角度的讀取需要，具有測量精度合理、測量范圍廣、可靠性高、成本低等優(yōu)點，為線控轉(zhuǎn)向控制協(xié)調(diào)打下了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Steering Wheel Angle Sensor in Vehicle Steer-by-Wire(SBW)System

LIU Jun，QIN Shu－jian，ZHOU Hai－sen，JIA Lin－xi
(School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Using the magnetic sensor chip MLX90316 and the MC9S08DZ16 based on the Triaxis Hall Technology，a non－contact and intelligent steering angle sensor is built，which has advantages of cheap costs，great precision and anti－jamming performance.This steering angle sensor can provide an accurate angle value of steering wheel absolute position for SBW(steer－by－wire).By software，the direction，speed and acceleration of turning the steering wheel can be computed.

SBW;angle sensor;steering wheel angle;Hall sensor;MLX90316;non－contact

U463.4

A

1674－8425(2014)07－0001－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.001

2014－01－08

劉軍(1968—)，男，江蘇靖江人，博士，教授，主要從事汽車電子方面的研究。

劉軍，秦書劍，周海森，等.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014(7):1－4.

format:LIU Jun，QIN Shu－jian，ZHOU Hai－sen，et al.Steering Wheel Angle Sensor in Vehicle Steer－by－Wire (SBW)System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):1－4.