磁阻式传感器在EPS中的应用

摘要:为解决接触式转角和扭矩传感器在使用寿命及测量精度方面的问题,研制出一种非接触式的传感器,在能测量角度的同时,测出系统被施加的扭矩。 本文介绍了一种基于磁阻式的,集成了转角和方向以及扭矩测量的传感器系统,并对该系统的结构进行相关设计,以实现同时测量转角和扭矩的功能。

关键词:非接触式; 磁阻; 扭矩; 转角

中图分类号:U462 文章标识码:A 文章编号:1005-2550(2012)02-0000-00

引言

EPS的英文全称是Electronic Power Steering,它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。其基本工作原理是:不转向时,电动机不工作;当转向时,扭矩传感器将检测到的作用于转向盘上的扭矩信号传送给ECU,ECU同时接收车速传感器传来的车速信号,ECU对输入信号进行处理后,向电动机发出指令,电动机据此输出与之相应大小及方向的扭矩以产生助力,从而实现助力转向的实时控制。传统的电动助力转向器的扭矩传感器大都采用接触式方式,并且只能检测转向的扭矩,并不能检测转向角度,并且因为其接触式测量方式,传感器的寿命和磨损后的测量精度都会下降,从而影响整个转向系统的性能[1]。我们设计的新型的非接触式传感器,利用磁阻效应的原理,实现了非接触测量,并且能够同时测量扭矩和角度及其方向。因为非接触测量,传感器的寿命也大大延长,并且其测量精度也不会因为接触测量的磨损而有所降低[2]。

1磁阻式传感器的原理

利用基于磁阻芯片KMT36H的非接触式测量系统结构框图如图1所示。由被测部件,磁阻传感器,信号预处理系统,单片机系统、上位机显示系统组成[3]。其中磁阻传感器包括角度传感器和扭矩传感器,它们的核心芯片为KMT36H。

1.1磁阻传感器的角度测量原理

半导体材料根据外部磁场方向和大小的变化而相应改变阻抗的特性称为磁阻效应。当半导体材料的外部磁场达到其饱和磁场强度,其阻抗的改变只和磁场的方向有关。KMT36H就是根据此原理来测量角度和扭矩的。如下图2所示,将传感器和永磁铁按图示位置安装[4]。此时要求永磁铁的磁场强度大于传感器的饱和磁场强度,当永磁铁在传感器的上方旋转或者平行移动时,传感器内部的三路电桥但是由于此芯片只能实现0°到180°的测量范围,而EPS的角度测量范围远远超过此量程,所以一块芯片是无法满足EPS的功能需求的。所采用的装置如图4所示。该装置为转向轴上套一个大齿轮,同时大齿轮上啮合两个小齿轮,并且两个小齿轮的齿数相差1。两个小齿轮随大齿轮旋转,由于两小齿轮的齿数不一致,所以根据两个小齿轮转过的相位差即可算的大齿轮转过的绝对角度。

1.2磁阻传感器的扭矩测量原理

测量转向系统所受的扭矩,可以从测量转向系统在扭矩的作用下产生的弹性变形出发,测量被测量件的输入端和输出端之间的相对夹角,从而计算系统被施加的扭矩。

磁场的方向在磁铁的两极改变的方向为180°。因为芯片相对磁铁的运动位移很小,可以近似为直线。当磁阻芯片测量的磁场角度变化时,利用磁铁的磁极距和芯片和磁铁的旋转半径,可以就算得出输入轴部件和输出轴部件的相对转角为[5]:

2角度传感器和扭矩传感器结构的设计

基于以上测量的基本原理,对角度传感器和扭矩传感器的结构作了以下设计。

2.1角度传感器的结构设计

根据KMT36H的测量原理图,将该原理电路图制成双面PCB电路板,其中一面主要布置2个KMT36H,另一面为测量电路所需的其他电器元件。并设计大齿轮和随动的2个小齿轮。这里的齿轮几乎不传递力矩,只起传动作用,所以采用塑料浇铸成型即可。图5即为根据上述原理制作的实物装置。

2.2扭杆弹簧的设计

扭杆弹簧的设计如图6。其工作直杆部分为实心圆柱直杆。保证扭杆输入端在外加力矩的作用下,两连接端面之间的偏转角不超过±5°,采用等效长度方法确定其长度,两端采用花键连接。材料选用45钢。

2.3扭矩传感器的结构设计

扭矩传感器的结构设计图如图7所示。图8为其效果图。如图8装置所示,输入轴部件1与扭杆是通过花键连接固定在一起的,输出轴部件5与扭杆之间是通过另一个花键连接固定。从外观看输入轴和输出轴并没有直接连接在一起,但内部却通过扭杆相连接。转角传感器2与输入轴1连接固定在一起,可以计算绝对的转角。托盘a和输出轴部件1通过过盈配合连接在一起,托盘b和输出轴部件4通过过盈配合连接在一起。磁铁安装在托盘a,磁阻传感器组件6(如图8所示)安装在托盘b上。当在输入轴1加载扭矩,磁铁7和磁阻传感器组件6之间有相对转动,可以测得相对转角,利用相对转角进而可以计算出转矩。

在0到5N·m范围内,以每0.5N·m为步进单位进行测量,测量结果如表2所示。

4结论

由表1和表2的测量结果显示,磁阻传感器在角度和扭矩时的测量精度能够达到一般装车要求,且经过多次试验测试,所得数据在处理后其线性度并无大的变化,传感器的重复性很好,传感器总体性能能够很好地满足EPS系统要求。

参考文献:

[1]裴锦华,李明.汽车转向系统力矩波动的匹配研究.汽车科技,第3期,2010.5

[2] Ichiro Tokunaga ,Hirofumi Okumura ,Yuichi Shonai ,oshio Ogawa .Development of the Noncontact steering Angle Sensor using a Giant Magnetoresistive Element. SAE 2007-01-0395.

[3]贺贵芳,李瑞霞,刘杰. 汽车与工程机械用传感器。人民交通出版社,2002.4

[4]梁长垠。 磁阻式传感器在角度测量中的应用. 传感器技术,2005年第24卷第4期

[5]贾俊荣,刘志群,薛晓玲. 单片机接口模块应用和开发实例详解. 北京航空航天大学出版社,2010.1