（机械电子工程专业论文）电动转向器转矩转角传感器研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车市场是传感器市场中最大的一个。同时传感器在汽车现代化系统中扮 演着重要的角色。随着社会对安全、节能环保汽车的需求的提高。更多的汽车 装备了电动转向器( e p s ) 和电子稳定程序( e s p ) 以及其他智能控制系统。这 些汽车电控系统的有效运行，不仅需要转向转矩信号，而且需要转向角度信号。 目前e p s 转矩传感器或e s p 的转角传感器是两种独立的且应用不同原理的传感 装置。本文研究一种安装于转向柱的非接触式转矩转向角集成转向传感器，通 过对信号变换方法的创新研究和信号变换装置的设计，将转矩转角两种传感器 集成为一个传感器，实现对转矩转角的同时测量。 文章介绍了当前用于电动助力转向器的各种转矩传感器。对目前所采用的各 种类型的转矩传感器和转角传感器进行了介绍，并对他们的优缺点进行综合对 比分析。提出了一种新型的非接触式转矩转角传感器。设计出该传感器关键部 件的机械结构。采用磁阻( m r ) 器件作为敏感元件，结合一定的放大电路和滤 波电路，使用专用角度相位差信号处理芯片u z z 9 0 0 0 。应用e d a 工具软件 c a d e n c e 作为电路设计工具设计了信号调理的硬件电路。使用m a t l a b 软件对转 矩转角传感器系统功能进行了验证。得出转矩和转向角度之间的关系。最后运 用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱对整个传感器的信号处理系统进行仿真，并生成 仿真波形。结合仿真波形，分析得出电动转向器转矩和转向角之间的关系。 本文重点研究该传感器的扭矩到磁电信号、转向角信号到磁电信号的非接触 式信号获取变换方法和信号变换装置的结构要求；信号调理电路的构成；传感 器信号与e p s 电控单元之间电信号的匹配关系和传感器的特性等关键技术。把 转矩和转角信号集成到一个传感器中测量是本文的创新点之一，它可以减少汽 车中传感器的数量但又能提供汽车其他智能单元所需的转向角信号。本文的另 一创新点是将角度专用处理芯片u z z 9 0 0 0 引用到转矩传感器中，它使电路的分 离元件大大减少。从而简化了整个传感器的信号处理电路。 关键字：电动助力转向器转矩传感器转角传感器磁阻效应 武汉理一【大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l em a r k e ti st h eb i g g e s to n ei nt h em a r k e to fs e n s o r s t h es e n s o r s a r ep l a y i n ga t li m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e m i z e ds y s t e mo ft h ec a ra tt h es a m et i m e w i t ht h e i m p r o v e m e n t o ft h ed e m a n df o rt h e s a f e ，e n e r g y - s a v i n g a n d e n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v ec a ro ft h es o c i e t y , e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) a n dt h e e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ( e s p ) a n do t h e ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sa r ee q u i p p e d i nm o r ec a r s t h ee f f e c t i v eo p e r a t i o no ft h e s ec a r so f a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m s n o tm e r e l yn e e dt u r n i n gt ot h et o r s i o ns i g n a l ，a n dn e e dt ot u r nt ot h ea n g l es i g n a l a t p r e s e n tt h et o r q u es e n s o r so fe p so rs t e e r i n ga n g l es e n s o r se s pi st w ok i n d so f i n d e p e n d e n to n e sa n de m p l o yt h es e n s i n gd e v i c eo fd i f f e r e n tp r i n c i p l e s t h i sp a p e r r e s e a r c ha ni n s t a l l a t i o n ，w h i c hi san o n - c o n t a c tt y p es t e e r i n gs e n s o rf i x e do ns t e e r i n g c o l u m n ，i ti n t e g r a t e st h et o r q u ea n da n g l em e a s u r e m e n t t h r o u g ht h ei n n o v a t i v e r e s e a r c ho fs i g n a lt r a n s f o r m a t i o nm e t h o da n dt h ed e s i g no ft h ed e v i c ef o rt h es i g n a l t r a n s f o r l n ，i n t e g r a t et h et o r q u e s t e e r i n ga n g l ea so n es e n s o r r e a l i z et h et o r q u e s t e e r i n ga n g l es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t t h ep a p e l h a si n t r o d u c e dv a r i o u st o r q u es e n s o r su s e di nt h ee p sa tp r e s e n t c o m p a r ea n da n a l y z et h ep l u s e sa n dm i n u s e so fa l lk i n d so ft o r q u es e n s o r s s y n t h e t i c a l l y p r o p o s i n gan e wk i n do fn o n c o n t a c tt y p et o r q u e | s t e e r i n ga n g l es e n s o r t h em e c h a n i c a is t r u c t u r eo ft h ek e yp a r to ft h i ss e n s o ri s d e s i g n e di nt h i sp a p e r a d o p tt h em a g n e t i cr e s i s t a n c e ( m 内a st h es e n s i t i v ee l e m e n t ，c o m b i n ec e r t a i n a m p l i f yc i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i t ，u s et h ea n g l ep h a s ed i f f e r e n c ep r o c e s sc h i pn a m e d u z z 9 0 0 0 h a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d i n go fs i g n a lp r o c e s s i n ga r ed e s i g n e de m p l o y i n g e d at o o lc a d e n c e m a t l a bs o f t w a r ei su s e dt op r o v et h e t o r q u e s t e e r i n gs e n s o r s s y s t e mf u n c t i o n o b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o r q u ea n ds t e e r i n ga n g l e s i m u l i n k t o o l b o xi nm a t l a bc a r r i e so ne m u l a t i o nt ot h ew h o l es e n s o ra n ds i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e m ，p r o d u c i n gt h es i m u l a t i o nw a v e c o m b i n i n gt h es i m u l a t i o nw a v e ，a n a l y z et h a t o b t a i nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et o r q u ea n dt h es t e e r i n ga n g l e s t h ek e yr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sn o n c o n t a c tt y p es i g n a lo b t a i n e dw a y , i n c l u d i n g o f t o r q u es i g n a lt om a g n e t i ce l e c t r i cs i g n a l ，s t e e r i n ga n g l es i g n a lt om a g n e t i ce l e c t r i c t h es i g n a lt r a n s f o r md e v i c es t r u c t u r e ，t h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i t ，m a t c hr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns e n s o rs i g n a la n de p se l e c t r i cc o n t r o l l e du n i ta n dc h a r a c t e r i s t i co fs e n s o l e t c i n t e g r a t i n gt h et o r q u ea n da n g l es i g n a lo fas e n s o rt om e a s u r ei so n eo fi n n o v a t i o n p o i n t s i tc a nr e d u c et h eq u a n t i t yo fs e n s o rb u tc a no f f e ra u t o m o b i l eo t h e ri n t e l l e c t u a l u n i ts t e e r i n ga n g l es i g n a l a n o t h e ri n n o v a t i o np o i n ti sl i g h t e dt o p r o c e s st h ea n g l e s p e c i a l - p u r p o s e l yt h ec h i pu z z 9 0 0 0i su s e di nt h es e n s o ro ft h et o r q u e i tm a k e st h e i l 武汉理1 = 人学硕士学位论文 s e p a r a t i o nc o m p o n e n to ft h ec i r c u i tr e d u c eg r e a t l y t h u st h es i g n a lo ft h ew h o l e s e n s o rp r o c e s sc i r c u i ti ss i m p l i f i e d k e yw o r d s ：e p s ；t o r q u es e n s o r ；s t e e r i n gs e n s o r ；m a g n e t i cr e s i s t a n c ee f f e c t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理+ 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 电动转向器转矩转角传感器研究 第1 章绪论 汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的重要装置，它直接影响汽车的操 纵性和稳定性【。为使转向操纵轻便，早在2 0 世纪5 0 年代，美国d e l p h i 公司 率先开发出液压动力转向( h p s ) 系统，并应用在越野车上。近几年，随着速度 敏感型电控h p s 系统的问世，液压动力转向系统已日趋成熟和完善。与此同时， 也使得该系统结构更复杂、价格更昂贵，而且仍然不能克服液压动力转向系统 的一些固有缺点，如效率低、能耗大、路感差等。为此，世界各国的专家学者 们正在大力研究开发一种新型的动力转向系统，即电动转向( e p s ) 系统。 e p s 的电动转向系统主要由四部分构成：机械转向装置( 方向盘、转向柱等) 、 转矩传感器、转向助力机构( 助力电机、离合器、减速传动机构) 及电子控制单元 ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 。助力电机仅在需要转向助力的情况下工作， 当驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器根据转向转矩的大小产生相应的 电压信号，e c u 根据传感器检测到的转矩电压信号和车速信号，给出指令来控 制输入电机的电流，从而产生所需的转向助力转矩1 2 】。 图1 - 1 是一个转向柱式助力转向系统的结构模型。它主要由e c u 、助力电机、 减速机构、车速传感器、转矩传感器等组成。控制单元根据各传感器的输入信 号确定电机的助力转矩，并驱动控制电路控制电机【3 】 武汉理工人学硕士学位论文 图卜1 电动助力转向系统框图 根据图1 1 ，电动助力转向系统工作时，转向传感装置检测到转向轴上的转 动力矩及其转动方向，与车速传感器检测得到的车速信号一起不断地被输送到 微控制单元，该控制器通过对数据进行分析，以决定转向方向和所需要的最佳 助力值，然后发出相应的指令给驱动电路，从而驱动助力电机通过助力装置实 现转向。通过精确的控制算法，可以任意改变电机转矩大小，使转向机构获得 所需要的助力值。车速信号可通过c a n 总线从转速里程表获得。而转矩传感器 的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的转矩与方向，转矩测量系统比较复杂且 成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定e p s 是否占领市场的 关键因素之一1 4 j 【引。 1 1 汽车转向传感器的研发现状 要研究转矩转角传感器，首先得弄清楚传感器的概念。但直到现在，传感 器还没有准确的定义。一般的说法是：“传感器是根据规定的被测量的大小，定 量提供有用的电输出信号的部件 。狭义来说，传感器就是把光、时间、电、温 度、压力及气体等的物理化学量转换成电信号的变换器【6 1 。所以这里的转矩转 角传感器就是通过特定的敏感元件，将转矩物理量转换成电信号，并集成有信 2 武汉理工人学硕士学位论文 号处理电路的变换器。 1 1 1 转矩传感器 转矩从测量原理上可分为角度测量和应力测量【7 1 。角度测量法( 如涡流法) 需要一定长度，的扭力杆来得到测量信号。扭力杆的扭转角巾约为o 4 。 4 。 与转矩成比例的扭转应力0 与杆中心线成4 5 。见图1 2 。 + o 图1 2 扭矩测量的基本原理 l 一扭力轴；由一扭轴角；0 一扭转应力；m 一转距；r 一半径：，一扭杆长 目前适用于所有场合，也适用于非接触的传递测量信号的方法，主要有以 下三种，它们在测转向扭矩时还可以测量很小的角度，精度也高。 1 应力测量传感器 环形磁弹性传感器成本高。从磁弹性角度来看，其扭力轴的材料不是最好 的，为此寻找不同途径，将磁弹性层覆盖在扭力杆( 测量轴) 的表面，以达到 良好的测量效果，但至今仍未实现。为此，应力测量几乎还是采用应变片( d m s ) 原理。见图1 3 ： 武汉理f 人学硕十学位论文 囝l 一3 非接触式变压器引线的d m s 转矩传赙器 转扭显示仪表：o 一扭转应力：m 一转距；u 0 一供电电压；r l r 4 一应变电阻 用d m s 电桥测量转轴上的扭转应力 8 j 。电桥采用变压器供电方式，通过与 空气间隙无关的轴上的整流器和调节回路供给电桥直流电压。在测量处的其他 电器元件可将测量的电压信号放大并转换成频率信号，再由变压嚣输出到显示 仪表。由于要用大量的元器件，需将它们集成到轴上的芯片内。应变电阻可采 用如薄层技术预先放在钢片上，再焊到轴上。这种应力测量传感器的测量精度 高成本低。 2 血矩或角度测量传感器和角度差测量传感器 如果在轴的5 1 0 c m 长的扭杆两端装上阿个独立的转速传感器并采用无接 触的模拟或数字信号引出线，则可以很容易地确定它们间的扭转角由2 一中i 。见 图1 - 4 ： 武汉理l 学硕士学位论文 mn 一1 l 广l i 图1 4 角度著测蕈转矩 2 一转速传感器；3 一角度记号：卜扭转区；m 测常转距；十l ，2 一扭转角 这种测量传感器很贵。此外。为保证足够的测量精度，需要精密的轴承结 构和在圆周方向上有精确的增量分度或角度分度，为此通常考虑采用磁的或光 的测量方法。它们的优点是：在同一系统内可同时测量转角；对扭杆只作 很少的变化，传感器还可以做成接插式的。 3 涡流式传感器 在足够长的测量轴两端同心地装有两个带槽的轴套。他们间的相对位置应 该这样设定：在扭转时上面一排上两个轴套间的槽互相接近，即可见度增大， 下面一排上的轴套间的槽互相错开，可见度减小。见图1 - 5 ： 市 武汉理 人学硕十学位论文 3 h ( 了 己 图i - 5 涡流式转矩传感器 一带槽轴套；2 一空气同隙：3 一高频线圈：m 一转距 在每两个轴套外面有一个同心安装的固定套筒。在对应上、下排槽的位置 有两组高频线圈，频率约为i m h z 。轴转动时电感发生变化。电感的变化反映了 转矩的变化，只有精密的加工和安装才能保证涡流式传感器的测量精度。另外， 相应的测量和信号处理电路要尽量靠近线圈。 根据以上三种转矩测量方法。目前应用于汽车转向器的主要有以下几种转 矩传感器。 1 电位计式转矩传感器 目前国内对于一款e p s 产品而言，可以选用的转矩传感器类型主要有两种： 么 武汉理t = 人学硕士学位论文 一是日本n s k 公司在昌河北斗星e p s 中装用的扭矩传感器，二是美国b i 公司 为d e l p h i 公司配套的扭矩、位置复合传感器1 9 j 。n s k 公司生产的电位计式转矩 传感器，其工作原理为：驾驶员操纵方向盘使扭杆发生形变，造成转向下轴和 传感器轴发生相对转动，并使8 颗钢球带动滑块沿着螺旋槽上下运动，杠杆在 随滑块移动同时，改变传感器中的电阻值，输出相应的电压值。输出信号分主 扭矩和副扭矩，其和为施加在传感器上的电压值5 v 。当输出信号值为2 5 v 时， 表示方向盘上的扭矩为0 ；当输出信号不等于2 5 v 时，则表示此时方向盘上有 扭矩，那么e c u 便可根据具体值的大小进行助力。 图1 - 6 是某微型车的电位计式转矩传感器的结构简图。采用的是b i 公司的 电位计式转矩传感器。它除了提供扭矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回 正和阻尼逻辑的开发提供了便利。这种传感器由于没有螺旋槽、钢球、滑块等 配合精度要求高的部件要加工，因此能在不增加设备的条件下完成整个加工工 艺过程，而且工艺质量容易控制。但由于是电位计式，且提供5 路信号输出， 因此尺寸相对较大，限制了产品的小型化和轻量化。 传感器轴 图1 6 电位计式转矩传感器结构简图 这种转矩传感器虽然成本低，但是因为是接触式【1 0 1 ，触点由于经常接触磨损， 使其寿命大为缩短，经常维护造成使用成本提高。所以很快被非接触式转矩传 感器替代。 2 光电式转矩传感器 7 武汉理丁大学硕士学位论文 英国卢卡斯( l u c a s ) 公司于1 9 9 2 年推出的汽车电动助力转向系统( e p s ) 专用光电式转矩传感器【1 1 】【1 2 1 。国内以清华大学为首的研究小组自1 9 9 2 年起也开 始了e p s 系统的研究，并开发出了光电式的转矩传感器，它的工作原理与l u c a s 公司传感器的不同之处在于：( 1 ) 光用光电池；( 2 ) 光码盘结构简单，为单孔 式结构：( 3 ) 增加绕线盒。图1 - 7 是它的结构简图： 时错1睡i 了套筒 、 f 扭矩 、 ， 上 一7 一一一卜j t 1 ft 1 图1 - 7 光电式转矩传感器原理图 带有光电池的光码盘a 固定在扭杆的一端，带有发光管的光码盘b 通过套 筒固定在扭杆的另一端。当扭杆两端承受转矩作用时，扭杆便产生扭转变形， 光电感测装置将与转矩大小成正比的扭杆形变角度转换成微控制器可测量的电 压信号。图1 8 为光电式传感器的光电感测装置，发光管发出的光经过光码盘a 的扇形孔归整成扇形光斑，再经光码盘b 的扇形孔照射在两块光电池上。当扭 杆处于自由状态时，照射到两块光电池上的扇形光斑面积相等。当扭杆产生形 变时，扇形光斑便在光电池上移动，即两光电池的受光面积发生变化，从而光 电池输出电流变化。 8 武汉理l 学顶1 二学位论文 。 瑚卜8 光屯式转矩传惑器检测元件 发光首 光电式转矩传感器的具体结构见图1 9 ，用扭杆及套筒连接机械转向系统的 两段转向轴，光电检测装置固定套筒上。两套筒的端部有齿型限位结构，保证超 载时不至使扭杆发生塑性变形，即当扭杆形变达到定角度后，转向轴通过套筒 传递转矩，此时光电传感器进入饱和区。 另外，该传感器还有一个环形绕线盒，由可相对转动的内外两壳体组成内 壳体与转向轴相连，外壳体与转向轴壳体相连，电源线及信号线盘绕在绕线盒 中。当转动转向盘时导线在绕线盒中旋紧或旋松。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 9 光电式转矩传感器结构图 它也是非接触式转矩传感器的典型代表，其具体参数见表卜1 ： 表卜1 光电式转矩传感器参数表 精度 2 分辨率 0 0 2 n m 灵敏度2 0 0 m v n m 迟滞 0 2 重复度0 1 4 3 电感式转矩传感器 日本的k o y os e i k o 公司在2 0 0 2 年就研发出了一种非接触式转矩传感器 1 1 3 1 ，其结构见图1 - 1 0 所示，有两个探测套1 和2 ，安装在输入轴上，另外一 个探测套l 安装在输出轴上，同时有一个探测线圈和一个补偿线圈。转矩由 探测线圈测量，在转矩作用下，1 、2 探测套产生相对转角，磁通发生改变。 探测线圈的温度和外部电磁辐射噪声的影响，由补偿线圈来修正。探测线圈 和补偿线圈组成的电路见图1 - 1 0 中的电路模块图f l 4 1 。 梭话鼍线圈 孙倦线置 输入轴 撇( 1 ) 燃岔) 觥( i ) 电感式传感器结构豳 拿 穗凇髓 检黻翻 1 0 划撇图 武汉理工大学硕士学位论文 图卜l o 电感式转矩传感器 线圈由高频正弦波激励。经一个电流驱动电路和一个反相电流驱动电路来 驱动线圈，这样高频激励的相位差为1 8 0 。探测线圈的阻抗只由输入转矩来改 变，经过差动放大器，将转矩信号电压放大。输出电路分主副两路，是冗余设 计，主副两路的电源和放大电路结构都是一样的，并且是彼此分开的。线圈振 荡产生高频j 下弦波，高频部分将会被检测电路滤除，只有转矩信号被放大【l5 1 。 1 1 2 转角传感器 转角传感器，在工业应用上也称之为旋转模拟数字解码器。在汽车应用中 传感一个转向角可以用光的、磁的、感应的、电容的或电阻器的原理等各种方 法来实现【1 6 j 。自2 0 世纪9 0 年代以来，已经有无数种设计了。最常用的为旋转 分压计，包括电容的、磁的和光的等种类。光角度传感器已经成了最流行的解 码方法，由于它具有寿命长、设计简单、多功能性、高精度和高分辨力等性能。 在汽车应用中传感一个转向角可以用光的、磁的、感应的、电容的或电阻 器的原理等各种方法来实现。图1 1 1 是各种转向角度传感器类型的分类： 光反射 光散射 求积解码 绝对解码 磁阻a m rg m r 霍尔效应 磁性约束 脉冲导线 屏蔽感应 可变电容 可变感应 磁通散布 感应耦合 图1 1 l 转向角度传感器总览 电位计 无接触电位计 武汉理工大学硕士学位论文 大多数的转向角度传感器采用光原理，其次是基于霍尔( h a l l ) 效应或包含 测评电路的磁致电阻传感器的磁原理。在汽车转向传感器技术使用中，有各种 各样的传感器，如增量角度传感器使用数字编码技术将数字旋转运动编码成离 散的步距，其分辨率直接与从一个数字步距旋转到另一个数字的步距成正比例。 增量编码角度传感器在每一个离散的角度步距处传输一个上升下降的边给数字 输出。 求积编码角度传感器也使用增量编码，但有一个与第一个传感器成9 0 。的 第二个传感器用来传递关于旋转方向的信息。增量和求积编码角度传感器是作 为一种相对角度传感器。 绝对角度解码器得益于绝对编码技术，如g r a y 编码或链式编码【1 2 】。每个角 度步距都生成完整的字( 几个字节) 来对应一个新的绝对角度。 也有产生连续信号( 电压，相位转换或频率改变) 的模拟角度传感器，其 信号对应于绝对旋转角度。经常采用a d 转换器( a d c ) 生成数字输出。因此， 它难以从外部接口辨别是模拟的还是数字的。输出信号的分辨率由a d 转换器 的分辨率和传感信号质量来决定。一些模拟传感器有显示信号漂移的趋势，漂 移被解释为错误角度。要求的分辨率高，就必须进行更多的测量，以使信号减 少灵敏度和减少变形或干扰。 1 1 3 转矩转角传感器 对于上面列出的主流转矩传感器和转角传感器，从性能特点来看，电位计 式转矩传感器，它在早期的e p s 中应用就比较多，这种传感器体积大、价格低， 但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，所以必将被 逐步淘汰。光电式传感器利用的是光电技术来实现非接触，但需要有光源，而 且对环境的要求比较高，太多的灰尘会影响其灵敏度，价格也比较昂贵。电感 式转矩传感器虽然即实现非接触，又可克服灰尘的影响，但它需要庞大的铁心 来缠绕感应线圈，体积非常大。从功能上来说，都是只提供单一信号的传感器。 要么是单纯的测量转矩，要么是单纯的测量转角。列出的参考文献显示，只有 美国b i 公司为d e l p h i 公司配套的扭矩、位置复合传感器，其输出除了扭矩信号 外，还提供方向盘位置信号。但是尺寸相对较大，限制了产品的小型化和轻量 化。见文献【5 】 随着社会的进步，人类对更安全、更节能环保汽车的需求越来越高，更多的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 汽车装备了电动转向器( e p s ) 和电子稳定程序( e s p ) 及其他智能控制系统【1 7 】。 这些汽车电控系统的有效运行，不仅需要转向扭矩信号，而且需要转向角度信 号。目前e p s 或e s p 的扭矩传感器与转角传感器是两种独立的应用不同原理的 传感装置。 本项目研究一种安装于转向柱的非接触式扭矩转向角集成转向传感器，它 是一个传感器，通过对信号变换方法的创新研究和信号变换装置的设计，将转 矩转角两种传感器集成为一体，实现对转矩转角的同时测量。输出转矩和转向 角度两个信号。 1 2 本课题研究的目的和意义 针对目前市面上的几款电动转向器上使用的转矩传感器，进行对比分析， 虽然都有自己的优点，但各自又有自己的缺陷。比如电位计式转矩传感器，它 在早期的e p s 中应用就比较多，这种传感器体积大、价格低，但由于是接触式 的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，所以必将被逐步淘汰。光电 式传感器利用的是光电技术来实现非接触，但需要有光源，而且对环境的要求 比较高，太多的灰尘会影响其灵敏度，价格也比较昂贵。电感式转矩传感器虽 然即实现非接触，又可克服灰尘的影响，但它需要庞大的铁心来缠绕感应线圈， 体积非常大。 日本y t o k u m o t o 等对下一代转向传感器进行了研究，他们提出使用磁 敏( 腿) 器件作为敏感元件，将转矩和转角集成在一个传感器进行测量，这样它 不但可以提供电动转向系统所需要的方向盘转矩信号，同时还能提供汽车安全 导航控制和智能驾驶所需的绝对转角信号( 1 8 】。与传统的电动转向传感器相比， 它明显具有以下优点： ( 1 ) 小型化。既减少占用的空间，还能降低能耗，更符合环保的要求。 ( 2 ) 扩展了温度范围。 ( 3 ) 低成本、多功能、集成化。 但是因为敏感元件所采用的原材料比较昂贵，造成成本比较高，所以此技 术目前在国内没有引起厂家和科研机构的重视，也没有相关的技术文献提及。 基于以上的分析，本文拟在日本研究的m r 传感器的基础上，进行深入研 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 究，设计一款具有自主知识产权且满足要求的非接触式转矩转角传感器。 1 3 论文主要工作 本文研究一种安装于转向柱的非接触式扭矩转向角集成转向传感器，通过 对信号变换方法的创新研究和信号变换装置的设计，将转矩转角两种传感器集 成为一个传感器，实现对转矩转角的同时测量。这种传感器既能用于e p s ，也 可用于e s p 和安全巡航控制等智能驾驶控制，是新一代汽车智能控制的关键部 件和研发热点。本文重点研究该传感器的扭矩转变为磁电信号、转向角信号转 变为磁电信号的非接触式信号获取变换方法和信号变换装置的结构要求；信号 调理电路的构成；传感器信号与e p s 电控单元之间电信号的匹配关系和传感器 的特性等关键技术。通过分析研究以往针对本课题的研究成果，结合实际情况， 本文详细研究非接触转矩转角传感器，主要工作可以归纳如下： 1 对当前使用的转矩传感器和转角传感器进行对比分析，确定进行转矩转 角传感器研发的必要性。 2 磁效应理论介绍和转矩转角传感器机械结构设计 3 转矩转角传感器信号转换机理研究 4 转矩转角传感器信号处理电路设计 5 转矩转角传感器系统功能验证 1 4 本章小结 本章是对汽车转向传感器的研发现状进行介绍，通过对当前主流的转矩传 感器和转角传感器进行对比分析，提出了一种新的集转矩和转角测量为一体的 转矩转角传感器。并概述了本课题要做的工作。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章磁电效应理论及传感器结构 2 1 磁电效应理论 磁电效应是研究磁场和电场之间相互转化规律的理论，主要包含两个重要 概念：霍尔效应和磁阻效应。 2 1 1 霍尔效应和霍尔器件 1 8 7 9 年霍尔( h a l l ) 在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发 生的现象时，发现了金属片侧面产生微弱电位差的现象，这一现象称为霍尔效 应。完整的定义：当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁 场的方向，物体两侧产生电势差的现象称为霍尔效应。霍尔效应原来是在金属 中发现的，但在半导体中这个效应更为显著，近年随着半导体技术研究的深入， 霍尔效应的研究有了很大的发展【1 9 1 。半导体材料制造工艺和半导体应用技术的 迅速发展，推动研究人员找到了霍尔效应比较显著的半导体材料锗。因此，利 用霍尔效应制各出的第一个磁电传感器半导体锗霍尔元件直到上世纪四十年代 末由于半导体锗单晶的出现才得以成功。随着硅、砷化镓及其化合物半导体材 料器件与电路以及纳米技术的迅速发展，霍尔传感器研究、开发和应用也得到 高速发展。 图2 1 为霍尔效应原理图： 图2 1 霍尔效应原理图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 霍尔元件是一长为，宽为w ，厚度为t 的半导体薄片，当在矩形霍尔元件 中通以如图中所示的电流i 并外加磁场b ，磁场方向垂直于霍尔元件所在平面时， 霍尔元件中载流子在洛仑兹力的作用下运动将发生偏转，在霍尔元件上下边缘 出现电荷积聚，产生一个电场e h 。该电场e h 称为霍尔电场，稳态时e h 和磁场 对载流子的作用相互抵消，载流子恢复初始的运动方向，它使霍尔元件上下边 缘产生电压差，称为霍尔电压v h 。近似有 = 兰，b ( 2 - 1 ) q 仃 式中： 白一散射因子 q 一载流子电荷 n 一载流子浓度 白主要由半导体材料的能带结构和载流子散射机制决定。定义此时霍尔元 件中任意一处的电流和电场的夹角b 为霍尔角，其大小为： t a n p = b( 2 - 2 ) 式中： 脚一载流子的霍尔迁移率 i h2 r h p( 2 3 ) 一迁移率。 图2 1 中的所标v h 方向在载流子为电子时正确，当载流子是空穴时要反号。 如果样品长度非常短( ，w ) 以致初始时载流子的偏转无法到达霍尔元件 的上下边缘，霍尔效应将表现为电流的偏转，这时只有磁阻效应而没有霍尔电 压。但电场和电流之间的夹角1 3 不变。 对于，与w 近似的情况，v h 为： = g 墨，b( 2 4 ) t i n t 式中： g 一几何修正因子 g 是根据霍尔元件形状不同，取值在肌1 之间。定义电流相关灵敏度： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 s ，- g 卫( 2 5 ) q n t 霍尔电压更为有用的一个表达公式是偏置电压表示方式。因为大多数霍尔 集成电路中的霍尔元件都工作于恒压模式，此时输入电压为偏置变量： = g r n p t “v b ( 2 6 ) v 为加于霍尔元件输入端的偏置电压，w - - ( r i n k s ) 称为有效宽长比，r i n 为 输入内阻，r s 为面电阻。定义电压相关灵敏度s r = g 孚，代表霍尔元件对磁 f 场和偏置电压的灵敏度。可见，迁移率越大，灵敏度s v 也越大，而与其它材料 性能关系不大，此外还可以用输入功率为偏置变量，相应的公式为： ，、1 2 ：g d r n # w p l ( 2 7 ) 一 lq n a 霍尔器件是一种磁传感器，可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关 的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点， 它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高( 可 达1 m h z ) ，耐震动，不怕灰尘、油污、水气及烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线形 器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无 抖动、无回跳、位置重复精度高( 可达u m 级) 。采用了各种补偿和保护措施的 霍尔器件的工作温度范围宽可达5 5 。1 5 0 。 按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者 输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为： 直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后 者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体， 通过它，将许多非电、非磁物理量例如力、转矩、压力、应力、位置、位移、 速度、加速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进 行检测和控制。 另一方面霍尔器件又可以分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一 个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大【2 们。后者将霍尔 片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。 2 1 2 磁阻效应和磁敏电阻 磁阻效应( m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ) ，简称m r 效应，是指导电材料的电阻 1 7 武汉理工人学硕士学位论文 随外加磁场而变化的现象。半导体晶片受到与电流方向i e 垂直的磁感应强度b 作用时，不但产生众所周知的霍尔效应，还会出现电流密度下降、电阻率增大 的现象。其工作机理是有两个原因。 ( 1 ) 物理磁阻效应。在霍尔电场e h 作用下，运动速度为v = el a ( e 为电场 强度，l i 为载流子迁移率) 的电子不发生偏转；而速度大于或小于v 的电子运 动方向受e h 的作用都发生偏转。电子运动方向发生变化的直接结果是沿电流i c 方向( 半导体器件长边) 电流密度减小。电阻率增加，这种现象称为物理磁阻 效应。用电阻率相对变化率p p 表示磁阻效应。在磁场强度b 不太大时， p p 与u2 、b 2 成正比；在强磁场情况下，p p 与u 、b 成正比；当b 趋向 无穷大时，电阻率p 趋向饱和。 ( 2 ) 几何磁阻效应。在相同磁场作用下，由于半导体晶片几何形状不同导 致电阻值不同变化的现象称为几何磁阻效应，其原因是半导体内部电流分布受 外磁场作用发生变化，如图所示。由于霍尔电场e h ( y 方向) 受到电流i c 的电 极短路作用而减弱，结果使电子运动方向受磁场力( 洛仑兹力) 影响发生偏斜。 偏斜的电流方向与外加电场e c 方向夹角。称为霍尔角。而在半导体晶片中间部 分，霍尔电场不受电流电极的短路作用，电子运动方向因电场力与磁场力平衡 不发生变化。而外加电场e c 受霍尔电场e h 的作用也发生偏斜，偏斜方向与电 流i c 方向夹角也称霍尔角0 。霍尔角0 的大小由t a n0 = e h e c 决定。 近似计算时，磁敏电阻率的相对变化量为： z x p = 印2 8 2( 2 - 8 ) p 式中c 为与磁敏电阻元件的几何尺寸有关的常数； 于是，磁敏电阻r 可写为： ，= p k ( 1 + 印2 8 2 ) = ( 1 + 印2 8 2 )( 2 9 ) 式中k = 去为半导体晶片的几何常数。 当，、b 、d 不变时，电流i c 为： ，c - ，+ e c = 百砑石e c 而= 瓦瓦蒜( 2 - 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可以看出，电流i c 与b 的关系。式中r l 为外加电阻，借以取 武汉理工大学硕上学位论文 样时，便有电阻r l 上压降u r ，其值为： ” 户南 l + 詈( 1 + 印b 2 ) ( 2 一1 1 ) 从式( 2 1 1 ) 中可以看出，在d 一定时，胁愈大，灵敏度愈高( h b 1 ) ， r l 值愈小，灵敏度也愈高。但是r l 值减小时，u r 也将减小。实际作用中，r l 也可以是串联电流表的内阻。如果电压u r 输出太小，可以经过放大器进行放大 后再输出。 磁敏电阻是可控的磁半导体电阻。电阻值随磁流密度增强而增大。如图2 2 所示 图2 2 磁敏电阻原理图 在弱的( 左) 和强的( 右) 磁流密度b 作用下的载流子流动路线 锑化铟薄层( 厚约2 5 u m ) 中有导电性良好的锑镍合金做成的许多小探针。 磁流密度b 使载流子( 电子和空穴) 偏转。载流子在与小探针倾斜的路线方向 流动。不同载流子密度在金属小探针内马上平衡。载流子的流动路线随着磁流 密度b 的增强而不断倾斜，使载流子的路程增长，从而使磁敏电阻阻值增加。 磁敏电阻是一种高性能的磁敏感器件。其主要性能表现在，对磁敏电阻施 加磁场，其电阻值比未加磁场时变化明显。目前常见的磁敏电阻有： 1 、半导体磁敏电阻。如单晶材料、薄膜材料、i i l s b - n i s b 共晶复合材料； 1 9 武汉理工人学硕十学位论文 2 、金属薄膜各向异性磁敏电阻( a m r ) 及其相关不同类型的磁敏感元件； 3 、巨磁电阻。如自旋阀、隧道结、多层膜、颗粒膜； 作为敏感器件的应用，磁敏电阻具有如下独特性能： ( ! ) 永磁体与m r 器件非接触，无触点； ( 2 ) 无磨损，无接触电噪声； ( 3 ) 电性能寿命无限； ( 4 ) 纯电阻器件，响应速度从静态到1 0 9 秒，反应迅速准确； ( 5 ) 灵敏度高，输出信号大，易于采集处理； ( 6 ) 分辨率高，可靠性高； ( 7 ) 利用磁敏电阻开发出的传感器结构简单，轻巧； ( 8 ) 可适用于水、油、汽、粉尘等多种恶劣环境。 2 1 3 霍尔元件和磁阻元件性能的二者的比较 霍尔元件和磁阻元件所采用的半导体材料大体都是相同的。但二者对磁场 的作用机理是不同的，磁阻元件体内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。 实际上，霍尔效应和磁阻效应是并存的【2 1 1 。在制造霍尔器件时应努力减少磁阻 效应的影响，而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应( 在计算公式中，互为非线 性项) 。 早期的霍尔效应的材料锑化铟( i n s b ) 。为增强对磁场的敏感度，在材料方 面半导体i v 元素族都有所应用。近年来，除h l s b 之外，有硅衬底的，也有砷 化镓的。霍尔元件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在 1 5 0 q 5 0 0 q 之间。对线性元件工作电流大约在2 - 1 0 m a 左右，一般采用恒流供 电法。h l s b 与硅衬底霍尔元件典型工作电流为1 0 m