電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述

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1、電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述 　　摘 要：扭矩傳感器是汽車電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到EPS系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文介紹了目前具有代表性的幾種扭矩傳感器，同時預測了電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢。 　　關鍵詞：電動助力轉向系統(tǒng)；扭矩傳感器；電位計式；霍爾式；電感耦合式；光電式 　　1 概述 　　隨著人們對環(huán)保問題的日益重視以及汽車電子的迅猛發(fā)展，電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）這個集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的產(chǎn)品正越來越受到汽車廠商的重視。EPS與技術成熟的HPS相比，市場份額已初

2、具規(guī)模。目前全球汽車工業(yè)發(fā)展勢頭良好，尤其是在中國市場。汽車電子能夠極大提升汽車性能，多數(shù)汽車部件已經(jīng)實現(xiàn)了電子化。轉向系統(tǒng)作為汽車的重要組成部件，電子化也必將成為今后的必然趨勢。目前，在全世界汽車行業(yè)中，EPS系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長速度發(fā)展。國家發(fā)展改革委新修訂的《產(chǎn)業(yè)結構調整指導目錄（2011年本）》于2011年6月1日起開始實施。與上一版（2005年本）相比，新目錄在汽車產(chǎn)業(yè)相關部分做了較大調整。其中，汽車業(yè)的政策優(yōu)待程度“鼓勵類”中新增加了電動轉向系統(tǒng)，這表明未來EPS將得到國家相關政策的大力扶持。[1] 　　電動助力轉向系統(tǒng)中，通過扭矩傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產(chǎn)生

3、的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數(shù)字信號輸入控制單元，再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應的力矩，最后發(fā)出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。 　　2 電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器分類 　　按傳感器的敏感元件來分類，扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式扭矩傳感器應用較廣泛的主要有兩種，一種是新躍儀表廠生產(chǎn)的懸臂梁式傳感器，一種是美國BI公司生產(chǎn)的雙圓盤式傳感器。非接觸式傳感器主要有基于MMT公司技術的霍爾式傳感器，代表性的公司有BOSCH公司、LG公司、BI公司、Val

4、eo公司，另外還有Hella公司設計的電感耦合式傳感器，Methode electronics公司設計的電容式傳感器，Lucas公司設計的光電式傳感器。 　　接觸式傳感器容易受溫度和磨損的影響而產(chǎn)生信號漂移，使用一段時間后傳感器的輸出性能會下降，還容易產(chǎn)生噪聲問題。但接觸式傳感器結構簡單、價格低廉，因此在EPS系統(tǒng)中仍然被廣泛使用。非接觸式傳感器具有無磨損、無噪聲、耐久性可靠性高、遲滯小、精度高等優(yōu)點。但相對于接觸式傳感器來說價格要高一些，在國內尚未得到廣泛應用，其批量供貨情況還有待進一步驗證。目前世界主流的EPS供應商的產(chǎn)品中配套的都是非接觸式扭矩傳感器。因此，從長遠來看，非接觸式的扭矩

5、傳感器必將取代接觸式的扭矩傳感器。目前非接觸式的國產(chǎn)傳感器還沒有能夠批量供貨的，對于國內各傳感器廠商來說盡早推出這種形式的傳感器是一個機遇，也可以為擺脫我國多年來汽車電子產(chǎn)品“空心化”局面，拉動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻一份力量。 　　按傳感器的功能來分類，可以分為只輸出扭矩信號的傳感器（Torque Only Sensor，TOS）和扭矩信號和轉角信號集成的傳感器（Torque Angle Sensor，TAS）。轉角傳感器用于實時檢測轉向盤的轉動方向以及轉向盤的位置。轉角信號對于回正和阻尼邏輯的開發(fā)十分重要，也可以供主動前輪轉向系統(tǒng)，自動泊車系統(tǒng)，車輛穩(wěn)定系統(tǒng)等控制器使用。 　　選用TAS還

6、是TOS需要根據(jù)車輛的整體策略，以及整車廠對EPS的性能要求，在性能和價格之間做出權衡。如果對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求不是很高，則選用TOS即可，可以通過回正補償、回正力矩估計、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方法進行回正控制。如果整車廠對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求較高，則必須要有轉角信號，轉角信號除了可以從集成了轉角信號的扭矩傳感器中獲得外，如果車輛中有電子穩(wěn)定程序（Electronic Stability Program，ESP），并且已經(jīng)有了轉向角度傳感器（Steering Angle Sensor，SAS），則轉角信號也可以從SAS獲得。 　　正是因為TAS和TOS的需求都存在

7、，所以目前很多傳感器供應商在產(chǎn)品設計的時候都會考慮模塊化設計，即TAS是在TOS的基礎上增加角度檢測模塊，其他零件兩款傳感器可以共用。這樣盡可能的實現(xiàn)了零部件的通用花，可以有效的降低產(chǎn)品成本。 　　3 各類型電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器介紹 　?。?） 電位計式，該類型傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。通過電刷在碳膜電阻上位置的改變來輸出不同的電壓值。其缺點在于每一次使用的過程中都會導致電刷和碳膜電阻的磨損，經(jīng)過長時間的使用之后會降低精度乃至失效。在使用路況惡劣的條件下，更會加速傳感器的損壞，尤其在有較大振動的情況下，極端條件下會出現(xiàn)電刷與碳膜電阻脫開導致傳感器無信號輸

8、出的情況。優(yōu)點是價格低廉，在國內得到廣泛應用。代表性的產(chǎn)品為新躍儀表廠和美國BI公司生產(chǎn)的扭矩傳感器。電位計式扭矩傳感器輸出模擬信號，在設計ECU上的接口電路時只需進行簡單的濾波和模數(shù)轉化。 　　（2） 霍爾式，該類型傳感器應用霍爾芯片測出與輸入、輸出軸相對角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由調制電流信號的占空比來表示。其主要結構如下圖所示，[2] 　　a） 轉子為磁性材料，上面有多對磁極。與EPS中的輸入或者輸出軸連接。 　　b） 一對定子由軟鐵磁材料制成，彼此相對布置，與EPS中的輸出或者輸入軸連接。輸出、輸入軸通過扭桿連接在一起。 　　c） 一片或者兩片（冗余設計）霍爾芯

9、片與傳感器殼體相連，安裝在定子之間的測試槽中。 　　該類傳感器目前在國外已成為EPS用扭矩傳感器的主流產(chǎn)品，也是國內傳感器的主要發(fā)展趨勢。但是最先發(fā)明這款傳感器的MMT公司已經(jīng)率先申請了一系列的相關專利，要生產(chǎn)霍爾原理的扭矩傳感器首先需要支付一筆高昂的費用給MMT公司來獲得專利使用許可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通過購買專利使用許可來獲得這一技術的使用權的。只有BOSCH公司通過將磁性材料由MMT公司的軸向布置改為徑向布置成功規(guī)避了MMT公司的專利保護。另外，傳感器中的核心部件：轉子（磁性材料），定子（軟鐵磁材料）由于國內材料及加工水平的限制，還沒有合格的供應商。這是該

10、類傳感器實現(xiàn)國產(chǎn)化，實現(xiàn)國內廣泛使用，首先需要解決的問題。 　　（3） 電感耦合式，同其他扭矩傳感器一樣，也是由定子和轉子組成。在PCB上的定子由激勵線圈、3個感應接受線圈和其他信號處理電子元件組成，轉子是一塊簡單的沖壓金屬片。 　　激勵線圈中的電流產(chǎn)生電磁場與轉子發(fā)生感應耦合，轉子再與接受線圈發(fā)生二次感應耦合，定子上的電壓幅值隨定子與轉子之間的相對位置而變化，信號處理單元接收線圈的電壓信號，進行整流、放大并成對地將其按比例輸出。 　?。?） 光電式，其結構如下圖所示，兩個光碼盤分別與輸入、輸出軸相連，輸入、輸出軸通過扭桿連接，當扭桿受扭矩作用時，兩光碼盤上的內、外兩圈孔的重疊面積將

11、變化，從而光接收裝置的輸出電壓也變化，據(jù)此可以檢測出所施加轉矩的大小和方向。 　　由于光電式傳感器對環(huán)境的要求比較高，對外部雜質、粉塵等比較敏感，所以正在被霍爾式扭矩傳感器逐步替代。 　　4 電動助力轉向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢 　　隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器提出了更高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢： 　　1） 集成化，隨著車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展，除需要知道轉向盤力矩信號外，還迫切需要轉向盤轉角信號，供EPS、AFS（Active Front Wheel Steering）和ESP（Electronic Stability Program）等控

12、制器使用。[3]集轉角傳感器和扭矩傳感器功能于一體的多信號傳感器成為傳感器的發(fā)展趨勢。轉角傳感器用于實時檢測轉向盤的轉動方向以及轉向盤的位置，轉角信號有利于EPS更好的實現(xiàn)回正控制。集成化可以更好地減少零部件數(shù)量、節(jié)省成本、節(jié)約內部空間，使EPS系統(tǒng)內布置更加緊湊。 　　2） 引入CAN總線技術，可以向其他車載電子控制單元提供信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少汽車中傳感器的數(shù)量，促進車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 　　3） 可靠性、安全性更強，從單功能向多功能發(fā)展，如包含自補償、自適應、自診斷、信息存儲、記憶功能等。 　　參考文獻： 　　1 邵麗青. 電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 汽車與配件. 2011-36（No.9）APA 　　2 Didier Angleviel. Development of a Contactless Hall effect torque sensor for Electric Power Steering， SAE Technical Paper Series. 2006-01-0939 　　3 余卓平，孟濤，陳慧，張立軍. 電動助力轉向系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢. 汽車技術.2005 第9期 　　作者簡介： 　　謝程 （1984年12月――），女，浙江，工學學士，研究方向為車用傳感器技術。