基于巨磁电阻的转向传感器的研究

2011-04-13李寅

科技传播 2011年7期

李寅

重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074

0 引言

自从1988年法国的费尔发现巨磁电阻效应（简称GMR）以来，该项技术迅速的发展，仅用了6年的时间就走出了实验室。1994年，IBM公司成功的将它应用在了高速度的读写磁头上，把记录密度提高了十几倍。而后几年，巨磁电阻在磁场、转速、转角等方面的应用也得到了飞速的发展。

目前，在EPS电子控制技术当中，转矩、转角传感器是保证系统稳定、良好工作的重要部件。本文从传感器的基本原理、机械结构的理论计算和电路硬件几个方面，探讨了基于巨磁电阻在转矩、转角传感器中的应用。

大体上，可以将EPS上的传感器分为：接触式和非接触式两大类。接触式传感器工作原理简单，成本低，但由于触点易损耗，测量精度差，将逐步被非接触式传感器所淘汰。随磁场变化电阻值而变化的巨磁电阻，可以实现非接触工作，有较好的应用前景。

1 基本测量原理

如图1所示，转向轴分为上下两端，通过一根弹性扭杆相连。方向盘与转向轴上端刚性连接，转向盘转过的角度即是转向轴上端的角度，而转向轴下端与转向器相连，即输出轴。齿轮1通过主动齿轮与上端相连，齿轮2与下端的输出轴相连。

由材料力学可以知道

式中，ϕ为扭杆扭角； T为扭杆扭矩；Ip为扭杆截面极惯性矩；G为扭杆材料剪切模量。

通过齿轮传动，扭矩的测量转化为齿轮1、齿轮2转角差的测量，方向盘转角测量通过齿轮1 与齿轮3的转角差可以实现。

齿轮1、2、3上分别装有磁铁，通过齿轮的旋转来改变磁场；中间为电路版，选用3块英飞凌巨磁电阻芯片TLE5012、汽车级单片机对信号进行处理。

这种方法将转矩、转角传感器集成在了一起，与目前国内使用的EPS系统中多采集了转角信号，有利于ECU对于主动回正的控制，并且避免了贴应变片工艺难、电路复杂，绕线等问题，其结构简单，实现了智能化处理，是未来EPS转向传感器的发展方向。

2 理论计算

英飞凌的TLE5012角度测量芯片的测量角度为0—360,而一般的方向盘的转角范围为-540-540，所以存在对方向盘圈数问题的处理。从理论计算可以知道，将齿轮1、2、3的转角差控制在一定的范围即可，现分析如下：

设齿轮的初始位置分别为α01、α02α03，方向盘转动θ后，齿轮的位置分别为α1、α2α3，齿轮1、2、3的传动比分别为n1、n2n3，转动圈数为C1、C2C3，则对于转矩，可以列等式：

令Δθ=n2ϕ，n1=n2，Δα0=α01−α02，Δα=α1−α2，ΔC=C1−C2将上式相减可以得到：Δθ=Δα0−Δα−ΔC×360+Δn×θ

当−1 80＜Δθ＜180，即0＜Δθ+ 180＜360时，联合上式可以得到：

所以扭杆的扭角可以求出：

最后由材料力学可以求出转矩。

扭角和转矩是线性关系，可以直接用扭角表示扭矩。同样的方法可以证明只要齿轮1、3的转角差只要在（-180，180），就可以求出方向盘的转角。

3 硬件电路

测量电路的主要任务是：MCU从三个转角芯片TLE5012读取数据，加以计算修正，通过CAN口将信号输送给ECU。因此电路设计应该以MCU为核心，包括了角度传感器芯片模块，电源管理模块、JTAG接口、串行通讯接口、CAN接口。

MCU具有SPI和CAN口，具备了对数据读取、计算、输出、对整个系统进行监控的功能；角度传感器芯片模块是就是英飞凌的TLE5012芯片，可以测量0-360的转角，是本方案的关键部件；CAN可以已很好的满足系统对于实时性的要求；JTAG的设计可以实现单片机的在线编写、调试、以及烧制，省却了专门的编辑器。