張永東

（山西中航錦恒科技有限公司，山西 太原 030032）

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 （SAS）用于檢測車輛行駛過程中方向盤的轉(zhuǎn)動角度和角速度，來預(yù)測駕駛員的操作意圖，從而為車輛的其他控制系統(tǒng)如ESP、EPS、AFS、ADAS、PLA等提供控制動作的依據(jù)，其精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系著行車安全。

汽車電控技術(shù)進(jìn)步推動了汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展，隨著市場對傳感器要求的不斷提高，出現(xiàn)了很多新型的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。本文所涉及到的新型轉(zhuǎn)角傳感器屬于數(shù)字非接觸式絕對值轉(zhuǎn)角傳感器，是基于巨磁阻 （GMR）效應(yīng)的角度傳感器。這種傳感器經(jīng)過特殊設(shè)計，可以實現(xiàn)非接觸式多圈絕對角度的檢測，并通過CAN總線提供給ECU控制信號。

1 轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)形式

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器通常安裝在方向盤下方的轉(zhuǎn)向柱或時鐘彈簧上，采用3個齒輪的機械結(jié)構(gòu)來測量轉(zhuǎn)過的角度。

轉(zhuǎn)角傳感器基本組成及結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要有上、下殼體、3個齒輪組成的機械結(jié)構(gòu)，兩個磁鐵及對應(yīng)的兩個磁阻角度傳感器，電路板等組成。

圖1 傳感器基本組成及結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)角傳感器的工作原理

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝在方向盤下方，大齒輪A（90齒）隨方向盤一起轉(zhuǎn)動，與兩個齒數(shù)不相等的從動小齒輪B（26齒）和小齒輪C（30齒）嚙合。兩個小齒輪軸與傳感器外殼一起固定在車身，每個小齒輪上各設(shè)置有水平充磁的永磁體,隨齒輪轉(zhuǎn)動,兩塊永磁體上方分別放置固定不動的磁阻角度傳感器，通過微處理機可采集兩個小齒輪的轉(zhuǎn)角。

方向盤同軸固定的大齒輪帶動兩個小齒輪轉(zhuǎn)動，由于兩個小齒輪齒數(shù)不同，方向盤轉(zhuǎn)動在不同的位置，兩個小齒輪會相差特定的角度。由于大齒輪轉(zhuǎn)動角度與兩個小齒輪轉(zhuǎn)動角度差之間有特定的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)三者角度關(guān)系，可由微處理機計算得到方向盤的絕對轉(zhuǎn)角，最大可以達(dá)到±2.16圈的絕對角度值，并微分計算出方向盤轉(zhuǎn)動角速度。齒輪輸出角度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 齒輪輸出角度關(guān)系曲線圖

3 轉(zhuǎn)角傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)角傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作作電壓12 V；工作電流<100 mA；角度測量范圍±780°；角度分辨率0.1°；角度精度±2.5°；角速度測量范圍0-1016°／s；角速度分辨率4°／s；角速度精度±15°／s；通訊接口CAN；更新頻率10 ms；工作環(huán)境溫度-40~90℃。

4 轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計方案

結(jié)合主機廠轉(zhuǎn)角傳感器的技術(shù)要求，分別從測量原理、系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)方案、硬件電路、軟件編程等方面設(shè)計開發(fā)，具備轉(zhuǎn)角傳感器自主開發(fā)技術(shù)能力。

4.1 測量原理

轉(zhuǎn)角傳感器的大齒輪轉(zhuǎn)動角度θ與兩個小齒輪轉(zhuǎn)動角度（α，β）之間有特定的關(guān)系曲線 （見圖2）。分析、掌握三者角度關(guān)系的函數(shù)θ=f（α，β），建立計算機仿真軟件，為轉(zhuǎn)角算法軟件、齒輪及輪系設(shè)計、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測試及誤差分析等提供設(shè)計依據(jù)和分析工具。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)角傳感器采用IGN供電，包括測量模塊、電源模塊、MCU模塊、CAN模塊等。磁感應(yīng)芯片采集兩個測量齒輪的角度信號并通過SPI傳輸至MCU，MCU通過SAS算法處理計算出主齒輪角度，傳輸至CAN總線。系統(tǒng)框架簡圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)框架簡圖

4.3 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要工作是齒輪及輪系、永久磁鋼、傳感器殼體等機械零組件設(shè)計，及電路板外形、磁阻轉(zhuǎn)角傳感器位置等與結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計工作。

輪系傳動比對于傳感器量程、體積、軟件算法、設(shè)計制造精度、傳感器誤差容錯率均有關(guān)聯(lián)。兩小齒輪齒差越小，傳感器量程越大；大齒輪與小齒輪的比值越大，傳感器體積越小。兩小齒輪轉(zhuǎn)動角度差在360°以內(nèi)，與大齒輪轉(zhuǎn)角一一對應(yīng)。

4.4 硬件電路

使用英飛凌 （Infineon）雙傳感器方案，基于兩個磁場測量芯片進(jìn)行測量，正確標(biāo)定和初始化后，轉(zhuǎn)角信息在掉電時不丟失，因而在量程范圍內(nèi)可輸出絕對轉(zhuǎn)角位置，實現(xiàn)非接觸式多圈絕對角度檢測。在測量精度、分辨率、線性度、使用壽命等方面具有良好的性能。

轉(zhuǎn)角傳感器電路原理框圖見圖4，主要由兩個磁阻轉(zhuǎn)角傳感器、微處理器、CAN總線接口、調(diào)試接口、電源等組成。

圖4 電路原理框圖

4.5 軟件編程

轉(zhuǎn)角傳感器軟件采用嵌入式軟件，主要有微處理器初始化、方向盤零位設(shè)置、小齒輪轉(zhuǎn)角采樣、方向盤轉(zhuǎn)角計算、方向盤角速度計算、CAN總線通訊、上電自檢測和周期自檢測等功能模塊組成。外部中斷程序用于標(biāo)定初始傳感器安裝角零位。軟件是轉(zhuǎn)角傳感器的重要部分，編程語言采用C語言，編程環(huán)境win7，編譯器keil4。巨磁阻傳感器角度CORDIC算法、CAN總線通訊協(xié)議規(guī)定是整個軟件編程的核心部分。軟件設(shè)計應(yīng)貫徹工程化設(shè)計原則，有詳細(xì)的軟件設(shè)計文檔及版本管理等。

5 轉(zhuǎn)角傳感器的測試結(jié)果

按照設(shè)計方案開發(fā)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，通過模擬方向盤轉(zhuǎn)動進(jìn)行試驗驗證測試，實測所開發(fā)的轉(zhuǎn)角傳感器順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)的輸出角度，其結(jié)果滿足角度精度±2.5°的技術(shù)要求。如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)角傳感器輸出角度誤差分析圖

6 轉(zhuǎn)角傳感器的技術(shù)保障

通過對產(chǎn)品技術(shù)資料的整理和分析，掌握了汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計技術(shù)、制造工藝等。在參照行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了內(nèi)部汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所有定型產(chǎn)品均按照產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的DV、PV試驗驗證，使產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、檢測全過程有了可靠的技術(shù)依據(jù)和技術(shù)保障。

7 結(jié)束語

電子穩(wěn)定系統(tǒng) （ESP）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （EPS）是當(dāng)前汽車電控技術(shù)的熱點，隨著這些系統(tǒng)應(yīng)用的不斷普及，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的需求量將越來越大。目前，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器面臨著降低成本、提高使用壽命和可靠性的多方面要求，傳感器技術(shù)需要不斷發(fā)展，以滿足這些越來越高的使用要求。