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轉(zhuǎn)向扭矩傳感器淺析

2022-01-27 23:56:35·  來(lái)源：ATC汽車底盤  
　
摘要：本文系統(tǒng)介紹了應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器分類、工作原理，同時(shí)闡述了關(guān)鍵性能指標(biāo)及各個(gè)指標(biāo)的一般要求。并從傳感器的角度匹配和輸出電壓與扭桿
摘 要：
本文系統(tǒng)介紹了應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器分類、工作原理，同時(shí)闡述了關(guān)鍵性能指標(biāo)及各個(gè)指標(biāo)的一般要求。并從傳感器的角度匹配和輸出電壓與扭桿關(guān)系兩個(gè)角度探討了傳感器與 EPS 系統(tǒng)的匹配性，對(duì)后續(xù)扭矩傳感器的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：
扭矩傳感器　工作原理　性能指標(biāo)
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)英文全稱 Electronic Power Steering，簡(jiǎn)稱 EPS。EPS 是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入信號(hào)，通過(guò)電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔
助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。
一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本策
略如圖 1 所示，可見其所有基本控制模塊均
需要輸入方向盤力矩信號(hào)。
方向盤力矩信號(hào)是通過(guò)扭矩傳感器來(lái)獲取。本文將對(duì)應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭
矩傳感器的分類、工作原理、性能指標(biāo)及系統(tǒng)匹配展開闡述。
1、扭矩傳感器概述
傳感器是根據(jù)規(guī)定的被測(cè)量的大小，定量提供有用的電輸出信號(hào)的部件，狹義來(lái)講，
傳感器就是把光、時(shí)間、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變換器。
應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器就是通過(guò)特定的敏感元件，將轉(zhuǎn)矩物理量轉(zhuǎn)
換成電信號(hào)，并集成有信號(hào)處理電路的變換器，如圖 2 所示。
扭矩傳感器與扭桿組裝在一起構(gòu)成扭矩傳感器總成，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭桿與扭矩傳
感器的上半部分和下半部分存在一個(gè)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角，扭矩傳感器就是通過(guò)檢測(cè)這個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量方向盤力矩的。如圖 3 所示。
2、分類
按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器，如表 1 所示。
接觸式傳感器由于傳感元件之間一直存在滑動(dòng)摩擦，因此在使用過(guò)程中容易受到磨
損老化，出現(xiàn)測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確甚至報(bào)錯(cuò)的情況。這種類型的傳感器已經(jīng)逐漸被淘汰，非接觸式傳感器成為市場(chǎng)主流。
本文主要介紹應(yīng)用較為廣泛的非接觸式
扭矩傳感器：霍爾式扭矩傳感器。
3、工作原理
該扭矩傳感器通過(guò)霍爾效應(yīng)在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。主要由定子分總成、轉(zhuǎn)子分
總成、上端蓋、下端蓋、集磁極、Hall IC 組成。轉(zhuǎn)子由多級(jí)磁鐵組成，固定在輸入軸上，
主要是提供磁場(chǎng)。定子上裝有磁軛（導(dǎo)磁率比較高的金屬材料），固定在下端蓋上，下端蓋與殼體固定。當(dāng)方向盤向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得上下磁軛與多級(jí)磁鐵發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，
磁通量從 N 極至 S 極，Hall IC 接收到磁通。如果轉(zhuǎn)子與定子反方向相對(duì)位移，Hall IC 也接收反向的磁通。磁通的變化經(jīng)過(guò)霍爾 IC 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化，從而測(cè)量出相應(yīng)的扭矩大小和方向。如圖 4 所示。
當(dāng)方向盤在中間位置時(shí)，磁通量為零。當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)（+4.5°），磁通量高斯值為 550（示例）。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)（-4.5°），磁通量反向，
高斯值為 -550（示例），如圖 5 所示。
4、性能指標(biāo)
4.1　直線度
傳感器輸出量（電壓）與輸入量（扭矩）之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。一般要求：≤ ±2%。
4.2　遲滯
在測(cè)試行程內(nèi)所有測(cè)試位置來(lái)回電壓的差值。一般要求：≤ 1%。
4.3　電壓波動(dòng)
安裝完成的 EPS 產(chǎn)品，360°旋轉(zhuǎn)輸出軸，傳感器信號(hào)的電壓變化。一般要求：0.08V
（max）。
4.4　中位電壓
判斷轉(zhuǎn)向管柱是否受到轉(zhuǎn)向力的作用。中位電壓：2.50V。
5、傳感器與 EPS 系統(tǒng)的匹配性
5.1　傳感器的角度匹配
a、機(jī)械限位角度。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時(shí)，限位機(jī)構(gòu)無(wú)法再相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)限位機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的角度稱為機(jī)械限位角度。
b、傳感器有效角度。當(dāng)轉(zhuǎn)向力增大時(shí)，是指?jìng)鬟f給ECU的信號(hào)中，產(chǎn)生有效助力的那部分信號(hào)，稱為有效機(jī)械角度。
c、傳感器的角度匹配在設(shè)計(jì)總成和生產(chǎn)裝配時(shí)，必須保證：機(jī)械限位角度＞傳感器有效角度。
5.2　傳感器輸出電壓和扭桿的關(guān)系
傳感器的輸出電壓最終是被 ECU 控制器進(jìn)行采集的，而 ECU 通過(guò)計(jì)算傳感器的電壓
信號(hào)，得知駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤扭矩的大小。那么就必須定義傳感器電壓和扭矩之間的關(guān)系。
如果傳感器圖紙中給定的是電壓和角度的關(guān)系，那么就必須確定扭桿的剛度來(lái)最終
確定輸出信號(hào)。
5.3　扭桿剛度的計(jì)算
例：
已 知：U=3.5V；T=7.8Nm；K1=
（1/3.5）V/°；
公式：
所以：K2=7.8/3.5;K2=2.23Nm/°
其中：
U：傳感器輸出電壓，單位 V；
T：扭矩，單位 Nm
K1：傳感器電壓與角度的關(guān)系，單位為
V/°，和傳感器的類型有關(guān)。
K2：扭桿的剛度，單位為 Nm/°，由扭桿的粗細(xì)和長(zhǎng)短來(lái)確定。
6　結(jié)語(yǔ)
本文主要針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的工作原理、性能指標(biāo)和系統(tǒng)匹配等
方面進(jìn)行了分析，對(duì)后續(xù)扭矩傳感器的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。
本文來(lái)源于 中國(guó)知網(wǎng) 姜姍姍　姜楠　韓小鵬。著作權(quán)歸作者所有，文中觀點(diǎn)僅代表作者觀點(diǎn)。
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