陳富安，李江江

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

邁銳寶等汽車用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器工作原理研究

陳富安，李江江

（河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器能夠監(jiān)測方向盤的轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)動(dòng)方向,是汽車安全性駕駛的核心保障器件，可為電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)或者電動(dòng)助力系統(tǒng)提供精確的轉(zhuǎn)角位置信息。對其工作原理進(jìn)行研究并與常見轉(zhuǎn)角傳感器工作原理進(jìn)行對比，結(jié)果驗(yàn)證了其工作原理的優(yōu)越性和可靠度，為汽車電子差速技術(shù)的發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)角傳感器；MLX90316；槽型光電；混合測圈

CLC NO.: TP212.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-04-03

引言

目前，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器SAS（steering wheel Angle sensor）主要有滑動(dòng)電阻式、磁感應(yīng)式、霍爾式和光電式等幾種[1]。而比較主流的轉(zhuǎn)角傳感器（如德國BOSCH生產(chǎn)的轉(zhuǎn)角傳感器LWS5）幾乎都是利用轉(zhuǎn)向柱大齒輪帶動(dòng)2個(gè)嵌入小磁鐵的從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，ECU檢測到這2個(gè)從動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再通過軟件程序計(jì)算出轉(zhuǎn)向柱大齒輪的絕對轉(zhuǎn)角[2]。此種SAS雖然技術(shù)成熟、準(zhǔn)確度高、壽命長，但其價(jià)格昂貴，不是電動(dòng)汽車行業(yè)的理想選擇，再加上此種SAS內(nèi)部使用2個(gè)從動(dòng)小齒輪，并且從動(dòng)小齒輪上方都加有MLX90316轉(zhuǎn)角傳感器，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)緊湊，不利于安裝，也增加了成本。然而近期市面上以雪佛蘭邁銳寶、別克新君威、別克新君越等為代表的歐美中型車，由于性能優(yōu)越，價(jià)格適宜，同時(shí)具備豪華感，所以成為了大家所熱捧的車型。與此同時(shí)出現(xiàn)的這三款車型都能夠使用的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，其型號為C68049XF25849366ANA761008A，由于價(jià)格低廉、通用性強(qiáng)、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)為眾多電動(dòng)汽車制造商所青睞，本文針對這三款車型均可使用的SAS進(jìn)行研究，分析其工作原理并運(yùn)用matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，說明了其優(yōu)越性和可靠性。

1、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器整體結(jié)構(gòu)分析

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器C68049XF25849366ANA761008A主要包括電路設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩大部分。其中電路設(shè)計(jì)部分主要包括1個(gè)角度測量芯片MLX90316、5個(gè)槽型光電傳感器SG278編碼陣列、CAN通信電路模塊、電源穩(wěn)壓電路等。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該傳感器一般安裝在方向盤轉(zhuǎn)向管柱上。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主齒輪帶動(dòng)從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。而從動(dòng)小齒輪中間安裝有帶有磁性的小磁鐵，當(dāng)從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中間小磁鐵也隨著從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起小磁鐵周圍的磁場方向發(fā)生變化，小磁鐵正上方的MLX90316芯片能夠檢測到磁場的變化，并且輸出與小磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角度成線性關(guān)系的模擬電壓，微處理器將此模擬電壓信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入內(nèi)部DSP芯片計(jì)算出轉(zhuǎn)向柱齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

1.1 SAS的硬件構(gòu)成

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 MLX90316芯片的工作原理

MLX90316是一款CMOS轉(zhuǎn)角傳感器,它運(yùn)用Tria?is(三軸)霍爾技術(shù)獲取角度信息，芯片前端包括兩對相互正交的傳統(tǒng)平面霍爾元件和一個(gè)集磁片（IMC），檢測原理圖如圖3所示。由于MLX90316采用差分模式，垂直于芯片表面的外部磁感應(yīng)強(qiáng)度被抵消，剩下來的平行于芯片表面的磁場B//將被分解在兩個(gè)方向上分別被測量，記為BX//和BY//。芯片中的IMC會(huì)將BX//和BY//變換為與之成正比的兩個(gè)垂直方向上的分量BX⊥和BY⊥，然后由芯片中的傳統(tǒng)平面霍爾元件測量這兩個(gè)垂直分量[3-4]。

在MLX90316內(nèi)部，這兩對霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），通過這樣的結(jié)構(gòu)可以將實(shí)際角度編碼為兩個(gè)相位差為90o的正余弦信號。感應(yīng)到的這兩個(gè)正比于磁場強(qiáng)度的信號（Vx和Vy）將被放大、采樣、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,這兩個(gè)數(shù)字信號將通過DSP處理器中的反正切函數(shù)算法來計(jì)算方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，且輸出電壓Vx，Vy與小磁鐵轉(zhuǎn)角θ之間的計(jì)算公式如下[5]：

表征當(dāng)前角度值的數(shù)字信號再通過D/A轉(zhuǎn)換器變回模擬信號，最后的輸出信號可以在模擬輸出、PWM輸出以及串行數(shù)字通信（SPI）中選擇。MLX90316芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3 槽型光電傳感器工作原理

槽型光電傳感器是把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)組成槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽型光電傳感器具有抗光干擾能力強(qiáng)、工作頻率高、響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高等特點(diǎn)，即使是非常小的零部件都能夠精準(zhǔn)地定位，甚至是快速移動(dòng)的物體都可以可靠檢測[6]。本文研究的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采用槽型光電傳感器SG278，其外觀圖和內(nèi)部工作原理圖如圖5所示。

2、SAS工作原理分析

通過上述原理的分析，由于MLX90316輸出的是當(dāng)前磁場方向與芯片某一固定方向的角度，其測量的數(shù)值范圍在0o～360o(到一周后自動(dòng)歸零)，但是一般汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍都在±1.5圈即行程共1080o[7]。基于以上原理的分析，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)一定大于1080o，超出了MLX90316芯片的測量范圍，這樣就需要記錄齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，但這樣會(huì)使傳感器的結(jié)構(gòu)和程序變得復(fù)雜，為避免這種問題的出現(xiàn)，該種SAS配用5個(gè)槽型光電傳感器（SG278）聯(lián)合MLX90316 角度傳感器來測量方向盤全部行程內(nèi)的角位移，這里5個(gè)槽型光電傳感器排成120度圓弧型陣列，y1為通過光電傳感器陣列方式采集的轉(zhuǎn)角；y2為MLX90316通過自身上方磁場的變化測量出的轉(zhuǎn)角； x為轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)際角度。轉(zhuǎn)向管柱帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)一圈，光電傳感器陣列檢測角度就是360o，則光電傳感器陣列檢測到的角度y1與實(shí)際角度x的函數(shù)關(guān)系式為：

與光電傳感器陣列相關(guān)的主齒輪有36個(gè)齒，而與MLX90316相關(guān)的從動(dòng)小齒輪有20個(gè)齒，主齒輪與從動(dòng)小齒輪的齒數(shù)比為9:5,即從動(dòng)小齒輪每轉(zhuǎn)360°，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向柱主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)200°，即轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度是200°，所以該信號是一個(gè)以200°為周期的周期信號，因此MLX90316測量出的轉(zhuǎn)角y2與轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)際角度值x之間的函數(shù)關(guān)系如下式：

例如某時(shí)刻通過光電傳感器陣列采集到的角度是y1，通過MLX90316采集到的角度是y2，將y2代入函數(shù)式（2）中可以解得x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28,x29等9個(gè)解，由于不知此刻是在第幾圈的位置，所以僅有這9個(gè)值不能確定方向盤的轉(zhuǎn)角，所以此刻需要光電傳感器SG278的配合。這時(shí)將這9個(gè)值代入到函數(shù)式（1）中可以解得9個(gè)y1的值，這9組解中必定有且只有一個(gè)x2*對應(yīng)得到的y1*與主齒輪實(shí)際檢測到的轉(zhuǎn)角y1相等，那么轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度x=x2*。其中光電傳感器陣列和MLX90316傳感器分別測量的角度值y1，y2與方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角值x關(guān)系如圖6所示。

運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行仿真，其結(jié)果表明該傳感器能夠準(zhǔn)確測量出汽車方向盤的轉(zhuǎn)角，可以為車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）提供精確的方向盤位置信號。實(shí)際上光電傳感器的精度很低，即y1*與實(shí)際的y1相等也是光電傳感器檢測角度的誤差范圍內(nèi)的相等。MLX90316的檢測精度相對光電傳感器的檢測精度要高的多。所以采用MLX90316計(jì)算出的x2*的值為轉(zhuǎn)角傳感器的實(shí)際轉(zhuǎn)角值，所以轉(zhuǎn)角傳感器的角度檢測精度與MLX90316的檢測精度相同，然而這足以滿足汽車方向盤轉(zhuǎn)角測量的要求。

常見的SAS構(gòu)成大致為兩種：（1）三個(gè)齒輪，兩個(gè)MLX90316傳感器配合測轉(zhuǎn)角。（2）兩個(gè)齒輪，一個(gè)MLX90316傳感器，再配合掉電可記憶的存儲器（主要存儲旋轉(zhuǎn)圈數(shù)）測轉(zhuǎn)角。與常見的SAS工作原理相比，此種轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)計(jì)方法避免了常見的SAS壽命短、價(jià)格昂貴、技術(shù)保密性強(qiáng)不利于開發(fā)的缺點(diǎn)，其優(yōu)越性和可靠性顯而易見。

3、結(jié)論

目前市面上的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器大多是進(jìn)口產(chǎn)品，由于價(jià)格昂貴并且技術(shù)保密度高，不利于我國汽車業(yè)的發(fā)展，特別是隨著我國電動(dòng)汽車時(shí)代的到來，價(jià)格適宜，精確度高，壽命長的SAS需求量越來越大，所以本文針對目前市面上比較流行的歐美中型款車中（雪佛蘭邁銳寶、別克新君威、別克新君越）可以替換使用的新型方向盤轉(zhuǎn)角傳感器進(jìn)行研究，分析了其硬件電路構(gòu)成及其內(nèi)部主要元器件的工作原理，主要研究了該傳感器內(nèi)部MLX90316芯片與槽型光電傳感器SG278之間相互配合測量方向盤轉(zhuǎn)角的原理，并進(jìn)行了公式推導(dǎo)和matlab驗(yàn)證，結(jié)果表明此種方向盤轉(zhuǎn)角傳感器具有高的優(yōu)越性和可靠度。此研究也為電動(dòng)汽車中電子差速器的研究奠定了一定基礎(chǔ)。

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Study on the working principle of the MALIBU car and so on with a steering wheel Angle sensor

Chen Fuan, Li Jiangjiang
( Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450001 )

Steering wheel Angle sensor can monitor the size of the steering wheel Angle and the rotation direction. It is the core of the car driving safety protection devices. For electronic stability system or the electric power system provides the accurate location information. Study on its working principle and compare with common Angle sensor working principle, its working principle was verified the advantages of reliability, for the development of automobile electronic differential technology lay a certain foundation.

SAS; MLX90316; Trough type photoelectric; Mix measuring circle

TP212.6

A

1671-7988(2015)04-04-03

陳富安，就職于河南工業(yè)大學(xué)。