汽車方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究

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1、圖1轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)物圖汽車方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究王俊，楊勝兵，過(guò)學(xué)迅（武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院，湖北武漢430070）摘要：通過(guò)對(duì)角度傳感器的結(jié)構(gòu)及對(duì)其工作原理作深入研究，并將其運(yùn)用于方向盤(pán)的絕對(duì)角度傳感器中，該系統(tǒng)成本低、抗干擾性能好、測(cè)量精確高，是一款較理想的非接觸式方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器。由于該傳感器能夠檢測(cè)出精確的方向盤(pán)絕對(duì)位置角度值，故為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有很大幫助。關(guān)鍵詞：絕對(duì)角度；抗干擾性；轉(zhuǎn)角傳感器中圖分類號(hào)：TP212.9;U463.46文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-5483(2011)01-0019-03De

2、signandAlgorithmResearchofAngleSensorforVehicleSteeringWheelWangJun，YangShengbing，GuoXuexun（SchoolofAutomobileEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China）Abstract：Thestructureoftheanglesensoranditsworkingprinciplewereanalyzedandappliedtonon-contactanglesensorofthe

3、steeringwheel.Sincethesensorcandetecttheabsolutepositionofthesteeringwheelanglevalue,itishelpfultodevelopmentofthepowersteeringsystemandelectronicstabilitysystem.Keywords：absoluteangle;anti-jamming;anglesensor汽車電控技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展，其中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子穩(wěn)定系統(tǒng)是當(dāng)前汽車電控技術(shù)的熱點(diǎn)，而在控制過(guò)程中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器則是

4、其最重要的部分［1］。通過(guò)計(jì)算方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的位置和轉(zhuǎn)角變化速率來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員的操作意圖，從而為ESP或EPS控制單元提供控制動(dòng)作的依據(jù)。傳統(tǒng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器基于多種原理，如光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電阻分壓效應(yīng)等。根據(jù)原始向管柱固定連接，大齒圈與2個(gè)小齒輪通過(guò)齒輪嚙合。方向盤(pán)一般都能繞一個(gè)方向轉(zhuǎn)3圈，為了得到精確的絕對(duì)角度這里采用齒數(shù)分別為26和28的小齒輪，而大齒輪齒數(shù)為42這樣就能得到2個(gè)頻率不同的鋸齒波，為后面差值運(yùn)算做了前提條件。轉(zhuǎn)角傳感器示意圖如圖2所示。信號(hào)編／解碼方式的不同，轉(zhuǎn)角傳感器可以分為絕對(duì)值轉(zhuǎn)角傳感器和相對(duì)值轉(zhuǎn)角傳感器。這些傳感器普遍存

5、在測(cè)量精度不高、抗干擾性能差等缺點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高［2］。轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)角傳感器（圖1）的大齒圈內(nèi)部與方向盤(pán)轉(zhuǎn)收稿日期：2011-01-2020V3=V0arctan（V1/V2）式中：V1—AS5043在X軸方向上得到的正弦磁場(chǎng)分量所產(chǎn)生的電壓值；V2—AS5043在Y軸方向上得到的正弦磁場(chǎng)分量所產(chǎn)生的電壓值；V0—電壓的震蕩幅值；V3—計(jì)算的電壓值，每一個(gè)電壓值在一個(gè)0~180°范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)角度值，這樣也就可以計(jì)算其相對(duì)轉(zhuǎn)角。但在方向盤(pán)中應(yīng)用存在一些問(wèn)題。如方向盤(pán)單向需要最大為1080°的轉(zhuǎn)角，如果光靠程序區(qū)計(jì)算入到達(dá)18

6、0°自動(dòng)加1×180°，一旦程序運(yùn)行不穩(wěn)就會(huì)出現(xiàn)很大問(wèn)題，而且這樣的1—磁鋼；2，3—從動(dòng)齒輪；4—霍爾傳感器；5—主動(dòng)齒輪；算法也難以處理，故僅適合小角度轉(zhuǎn)角的系統(tǒng)。6—電路板；7—CPU控制單元；8—轉(zhuǎn)向管柱圖2轉(zhuǎn)角傳感器示意圖2角度傳感器工作原理分析圖3顯示了小磁缸在垂直方向的磁場(chǎng)分布情況，小磁缸分為N與S其分布如圖3所示，而S極為向外發(fā)射磁場(chǎng)，N向內(nèi)吸收磁力線所以在其垂直方向形成如此磁場(chǎng)分布，然后將AS5043的角度傳感器放置于距磁鋼的2mm左右，將其小磁鋼放置于齒輪中心，每當(dāng)小齒輪帶著小磁鋼旋轉(zhuǎn)一周，在角度傳感器上就會(huì)產(chǎn)生2列相隔90°相位

7、的正弦波，做運(yùn)算就能得到其相對(duì)角度值。其中AS5043是一種非接觸式磁性角度編碼器，測(cè)量范圍高達(dá)360°的角度范圍它可提供數(shù)字式10位輸出以及一圖4角度傳感器算法分析圖個(gè)可編程模擬輸出，輸出與在芯片上力作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為解決擴(kuò)大角度監(jiān)測(cè)范圍，采用雙磁輪及雙角的磁鐵的角度存在正比例關(guān)系模擬輸出可通過(guò)多度傳感器，產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行差值運(yùn)算，如圖5，2種方式配置，包括用戶可編程角度范圍、可調(diào)節(jié)電列差值波形其頻率不同，振幅相同。壓或電流輸出。［3］典型為6mm直徑磁鐵軸線R1圖5雙角度傳感器信號(hào)輸出垂直磁場(chǎng)分量2個(gè)頻率不同的鋸齒波做差值運(yùn)算后得到如圖6所示，很明顯其

8、轉(zhuǎn)角的絕對(duì)角度值能很大范圍的監(jiān)測(cè)角度，然后編寫(xiě)算法處理其產(chǎn)生突變的位R1同心圓周：半徑1.1mm圖3磁鋼的磁