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(北京科技大學 數(shù)理學院，北京 100083)

引 言

隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，對角度的單圈測量已經(jīng)不能滿足工業(yè)應用和需求，為此設計出能夠檢測多圈的角度傳感器，能夠應用于車輛電控技術中。車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)與電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)是汽車轉向系統(tǒng)的重要組成部分[1]。轉角傳感器為ESP 系統(tǒng)和EPS 系統(tǒng)提供了角度信息[2]。轉角傳感器計算角度的準確性和駕駛安全密切相關，主要有滑動電阻式、磁感應式和光電式等幾種[3]。MLX90363是一種基于霍爾效應的磁電式角度傳感器,具有非接觸、成本低、抗干擾性高等優(yōu)點，這對非接觸角度傳感器的研究具有重要意義。

1 轉角傳感器的系統(tǒng)結構

方向盤轉角傳感器一般安裝在方向盤轉向管柱上。在轉向管柱上固定有轉向柱齒輪，轉向柱齒輪和兩個小齒輪嚙合。轉向柱齒輪和方向盤一起轉動，從而帶動兩個從動齒輪轉動。兩個小磁鐵分別固定安裝在兩個從動齒輪中間，當小磁鐵隨從動齒輪轉動時，小磁鐵磁通密度的變化可以被磁鐵正上方2 cm處的 MLX90363檢測到，產(chǎn)生對應于轉角的輸出信號。在本實驗中通過SPI串行通信的方式輸出數(shù)字信號，省去了A/D轉換電路，極大地減少了系統(tǒng)設計的復雜度。并且在SPI模式下，MLX90363輸出的數(shù)據(jù)為14位，能夠為角度測量提供更高的精確度。

2 傳感器的電路設計

整個系統(tǒng)由4部分組成，分別為電源模塊、信號采集模塊、微處理器模塊、CAN總線通信模塊。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結構圖

2.1 MLX90363 芯片簡介

MLX90363是一款運用 TriaxisTM (三軸)霍爾技術的獨立傳感器芯片。TriaxisTM三軸霍爾傳感器既可以感應垂直方向，又可以感應與芯片表面平行的磁場強度[4]。芯片內(nèi)部集成原始信號處理模塊、 DSP 微處理器模塊和SPI輸出模塊。為了滿足設計電路的結構簡單、成本低等要求，這里選擇的是SPI輸出模式，避免了模擬輸出帶來的額外誤差。在SPI通信中MLX90363芯片作為從屬節(jié)點，單片機作為主節(jié)點。SPI通信需要4根線：NSS(決定設備是主節(jié)點還是從屬節(jié)點)、SCLK(時鐘線)、MOSI、MISO。最后通過對該芯片進行預編程處理， 把源數(shù)據(jù)對應于0～16 384的5位數(shù)輸出。

2.2 微處理器模塊

在此次研究設計中，考慮到成本、程序容量等因素，最終選擇了這款中等容量的單片機STM32F103C8T6。它擁有64 KB的FLASH存儲器、20 KB隨機存儲、3個通用定時器。而且擁有豐富的外設資源及I/O口資源：2個SPI通信接口、37個GPIO口、1個CAN總線接口等相關外設，工作電壓范圍為2.0～3.6 V(使用3.3 V供電)，使用的封裝類型為LQFP48。本實驗中需要2個SPI通信接口和1個CAN總線接口，STM32F103C8T6芯片正好滿足設計需求，不會造成資源的浪費，而且引腳個數(shù)少，價格便宜，擁有極強的市場口碑，開發(fā)難度低，可靠性強，在工業(yè)控制和汽車控制中應用廣泛。

2.3 電源模塊電路

TLE4269是一款輸入電壓最大可達45 V，輸出電壓為5 V，可驅動150 mA負載的電源芯片，車載電源一般是12 V ，使用TLE4269電源芯片，很好地解決了在發(fā)動機點火瞬間汽車電壓過大的問題。輸出的5 V電壓給角度傳感器芯片MLX90363供電，再將5 V電壓降為3.3 V，為微控制器供電。電壓轉換電路如圖2所示。

圖2 12 V轉5 V電源轉換電路

2.4 MLX90363數(shù)據(jù)采集電路

硬件電路設計的核心是磁傳感器信號采集模塊，將兩路MLX90363采集到的SPI信號傳給單片機，經(jīng)過單片機內(nèi)部算法處理，分別計算出兩個從動齒輪轉動的相對角度后，最終計算出轉向柱齒輪的轉動角度。信號采集電路如圖3所示。

圖3 MLX90363數(shù)據(jù)采集電路

2.5 CAN 通信電路

STM32F103C8T6內(nèi)嵌 CAN 控制模塊， 總線數(shù)據(jù)的封裝可在單片機內(nèi)部進行，而單片機只需外接 CAN 總線收發(fā)器PCA82C251 即可。同時，為了避免汽車的電源電壓不穩(wěn)定對電路造成的影響，增強CAN總線抗外界干擾的能力，采取了以下兩項措施，首先是在微控制器的CANTX與CANRX通過兩個高速光電耦合器6N137與82C251連接，能夠很好地實現(xiàn)CAN總線電路上節(jié)點之間的隔離；其次是在電源部分使用電源模塊B1209S，對光電耦合采用的兩個電源隔離。這樣光電耦合電路才能起到作用。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信接口電路

3 傳感器的軟件設計

圖5 系統(tǒng)整體軟件設計流程圖

整個系統(tǒng)的軟件整體設計思路為：轉角傳感器安裝在轉向管柱上之后，使方向盤處于回正位置，利用CAN總線的發(fā)送中斷將此時的位置記為絕對零點，將此值存在FLASH中。之后每次上電后，首先從FLASH中讀取絕對零點的值，然后讀取 MLX90363輸出的轉角信號，將讀取出的角度減去絕對零點的角度值即為方向盤轉動的相對轉角，之后利用相對轉角計算出方向盤的轉動角度，在定時器中每隔500 ms，將數(shù)據(jù)以CAN信號的形式發(fā)送給上位機。系統(tǒng)整體軟件設計流程圖如圖5所示。

圖6 轉向柱齒輪的角度與兩個從動齒輪角度之間的關系

MLX90363能夠測量的角度范圍為0～360°，而要檢測的轉動角度為多圈(±720°)，利用雙磁鐵和安裝在磁鐵正上方的雙角度傳感器MLX90363，可以使角度監(jiān)測范圍擴大。本系統(tǒng)中，選擇轉向柱大齒輪齒數(shù)MA與兩個從動小齒輪的齒數(shù)MB、MC，分別為MA=70，MB=18，MC=17。轉向柱大齒輪單向轉動0～1600°(可實現(xiàn)雙向±800°的角度監(jiān)測)，兩個檢測從動齒輪的角度的MLX90363輸出的角度信號如圖6所示，由圖可見，輸出信號是兩列頻率不同的鋸齒波。

將兩個從動齒輪的產(chǎn)生的頻率不同的鋸齒波的角度作差值運算后，如圖7所示。由圖可知：在方向盤單向轉動0～1600°范圍內(nèi)，轉向柱齒輪的角度和兩個從動齒輪的差值能實現(xiàn)一一對應。編寫算法便能計算出方向盤的轉動角度。

圖7 轉向柱齒輪的角度與兩個從動齒輪差值之間的關系

當方向盤轉動時，分別讀取兩個MLX90363采集到的角度值，計算出它們的相對轉角后，對兩個從動齒輪的相對角度作差，當兩個從動齒輪角度的差值為負數(shù)時，將此位置處從動齒輪角度的差值加360°，使轉向柱齒輪的角度與兩個從動齒輪差值成為一條光順的、斜率相同的直線，如圖8所示。利用此直線求出方向盤的轉動角度。

圖8 算法處理后，轉向柱齒輪的角度與兩個從動齒輪差值之間的關系

4 實驗結果與誤差分析

每隔20°測試一組數(shù)據(jù)，在方向盤轉動±720°的范圍內(nèi)，方向盤轉動的實際角度和誤差的關系如圖9所示。由圖9可知，該方向盤轉角傳感器的誤差達到了±2.5°，基本符合方向盤轉角傳感器實際中的應用需求。造成該誤差的原因：一是齒輪自身的精度帶來的，經(jīng)過測試，齒輪的嚙合的精度為1.5°，這是造成角度誤差的主要來源；二是由于磁鐵的中心和MLX90363的感應區(qū)域的中心不在一條直線上，會造成角度計算的誤差。

圖9 角度誤差

結 語

參考文獻

[1] 何金戈.汽車傳感器原理與檢修[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009: 60-67．

[2] 戴望軍,石廣林,熊松林，等.基于MC9S08DZ60汽車方向盤轉角傳感器的開發(fā)[J].湖北汽車工業(yè)學院學報,2013,27(2):37-41.

[3] 楊財,周艷霞.方向盤轉角傳感器研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng), 2007, 26(11):1-4.

[4] 黃志瑛,李學武.三軸霍爾傳感器MLX90316[J].廣西輕工業(yè),2010(4):49，59.

李彩琦(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。