電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電感式轉(zhuǎn)矩傳感器的研究

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1、Research&Development摘要：轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其輸出特性直接影響到EPS系統(tǒng)的控制性能。本文介紹了一種電感式轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器原理，采用Ansoft對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行了標(biāo)定，給出了傳感器的輸出特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器各項(xiàng)性能滿(mǎn)足EPS系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電感式；轉(zhuǎn)矩傳感器中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-883X(2007)02-0011-04季學(xué)武劉學(xué)孫凌玉一、引言汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（ElectricPowe

2、rSteering，EPS）系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向行業(yè)研究的熱點(diǎn)。EPS系統(tǒng)主要由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向傳感器、控制器（ECU）、電機(jī)及減速器等組成。ECU根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車(chē)速信號(hào)，通過(guò)分析、判斷及查表計(jì)算，控制電機(jī)電流，從而產(chǎn)生合適的助力。由此可以看出，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車(chē)EPS系統(tǒng)中的主要組成部件之一。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)矩傳感主要有以下形式：[1][2]①光電式，LUCAS公司有該類(lèi)型的產(chǎn)品，清華大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究、并做出了樣件，前者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求較高，后者對(duì)前者進(jìn)行了改進(jìn)，但是存在溫度漂移和繞線的問(wèn)題。[3]②電位計(jì)式，B

3、I公司和NSK公司都有該類(lèi)型的產(chǎn)品，前者集成了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角測(cè)量，后者采用滑套機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)角差變換為電位計(jì)擺臂擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩測(cè)量。該類(lèi)型的傳感器都屬于接觸式，存在磨損，降低了其性[4]能。[4、5]③電感式，KOYO公司和NSK公司都有該類(lèi)型的產(chǎn)品，該類(lèi)型傳感器具有較高的精度，很好地實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，非常適合EPS系統(tǒng)使用。本文介紹了電感式轉(zhuǎn)矩傳感器原理，對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出標(biāo)定。二、傳感器的原理電感式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，傳感器存在兩個(gè)磁路：由檢測(cè)環(huán)1、2與檢測(cè)線圈殼體等構(gòu)成的檢測(cè)磁路和由檢測(cè)環(huán)2、3與補(bǔ)償線圈殼體

4、等構(gòu)成的補(bǔ)償磁路。其中線圈殼體和檢測(cè)環(huán)1、2、3由高導(dǎo)磁材料制成。傳感器的信號(hào)變換與傳遞過(guò)程如圖1(b)所示，當(dāng)在轉(zhuǎn)矩傳感器扭桿兩端施加轉(zhuǎn)矩M時(shí)，扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生轉(zhuǎn)角差?θ。由材料力學(xué)可知：132L?θ=M=M(1)kπD4G2007.2SensorWorld11www.sensorworld.com.cn分析方法會(huì)帶來(lái)很大的誤差，本檢測(cè)環(huán)1、2輸入扭矩扭桿扭轉(zhuǎn)角齒端面正對(duì)檢測(cè)磁路文利用Ansoft軟磁阻變化面積變化件對(duì)傳感器進(jìn)行了三維靜磁場(chǎng)分主轉(zhuǎn)矩信號(hào)電橋輸出檢測(cè)線圈析，得到傳感器幅度變化電感變化1/8模型的磁感副轉(zhuǎn)矩信號(hào)應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖2(a)所示。改(a)傳

5、感器結(jié)構(gòu)(b)傳感器信號(hào)變換框圖變檢測(cè)環(huán)1、2間圖1電感式傳感器原理圖相對(duì)轉(zhuǎn)角?θ，得到電感與?θ的關(guān)系曲線如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，Ld曲線中間部分與檢測(cè)環(huán)1、2端面齒重疊角存在很好的(a)傳感器B云圖(b)電感—轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線線性關(guān)系，結(jié)合圖2Ansoft仿真計(jì)算結(jié)果式(1)可知，Ld和M存在很好的線式中：L—扭桿有效長(zhǎng)度；性關(guān)系，Ld曲線的首、尾段出現(xiàn)斜率下降，這是由于磁通G—扭桿材料剪切模量；飽和引起的。為了保護(hù)扭桿，傳感器中設(shè)計(jì)了機(jī)械限位機(jī)D—扭桿軸有效直徑；構(gòu)使扭轉(zhuǎn)角保證在±5°的范圍內(nèi)，所以在傳感器正常工作k—扭桿剛度。的情況下，Ld是隨?θ線

6、性變化的。另一方面，補(bǔ)償線圈電由于扭桿的變形，使得與扭桿輸出端連接的檢測(cè)環(huán)1感Lc基本保持為常數(shù)，不隨?θ而變化，同時(shí)，檢測(cè)線圈和和與扭桿輸入端連接的檢測(cè)環(huán)2之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)補(bǔ)償線圈之間的互感在整個(gè)區(qū)間都有M<

7、引起三、傳感器的信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè)線圈的自感發(fā)生變化，補(bǔ)償磁路的磁阻主要來(lái)源于檢本文設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)調(diào)理電路采用的是調(diào)幅式測(cè)量測(cè)環(huán)2、3上端面齒間的空氣隙磁阻和其它部分存在的磁阻，電路，其基本框圖如圖3所示。傳感器的信號(hào)調(diào)理電路有由于檢測(cè)環(huán)2、3都與扭桿輸入端連接，施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，檢測(cè)兩個(gè)通道分別輸出主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)，以便ECU根據(jù)這兩個(gè)環(huán)2、3間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即檢測(cè)環(huán)2、3端面正對(duì)面積不信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行故障診斷。主、副轉(zhuǎn)矩的信號(hào)處理電路發(fā)生變化，所以補(bǔ)償磁路的兩部分磁阻都不隨轉(zhuǎn)矩變化，基本相同，僅差動(dòng)輸入端反相，使得輸出信號(hào)正好反相。即補(bǔ)償線圈