基于各向异性磁阻效应的EPS角度传感器研究

王加熙+杨明

摘要：文章基于磁阻效应设计非接触式EPS角度传感器，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案。该传感器系统可以非接触式的测量角度。理论分析和实验表明该传感器系统与传统的角度传感器相比，精度高、可靠性好、应用范围广，且体积小、成本低。

关键词：磁阻效应；EPS；单片机；CAN；角度传感器；

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）07-0014-04

1 概述

电动助力转向（Electric Power Steering，简称EPS）是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，传感器将检测到的动力作用于转向盘上的信号传送给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传感器大都采用接触式方式，因其接触式的测量方式，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。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，能够测量角度及其方向，传感器寿命也大大延长，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 磁阻传感器工作原理

图1 磁阻效应示意

磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。

而当半导体所处外部磁场的磁场强度达到饱和的时候，其阻抗改变仅与磁场方向有关，被称之为各向异性磁阻效应AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）。半导体与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，若电流与磁化方向成角θ时，电阻可表示为：

磁阻传感器设计需充分考虑到磁阻效应里磁场饱和状态下阻抗变化仅与磁场方向相关的特性，依据此原理可以快速准确的测出角度，抗干扰特性较好，更为

便捷。

在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图2所示。

图2 基本电桥

根据磁阻效应电阻公式及惠斯通电桥可以计算出该电桥在θ角的饱和磁场中输出为：

其中令，则

Us为磁阻传感器工作电压，K为惠更斯电桥类磁阻芯片固有常数。

K指作为磁阻传感器的固有属性，理论上是一个常数，但实际会因温度、湿度等外部环境的变化影响而发生改变，且单电桥磁阻角度传感器的角度测量范围仅为90°，两者都会给实际角度测量带来不便。

3 磁阻传感器在EPS中的应用

在汽车EPS中，转角传感器可以基于多种原理来实现，如光电效应、霍尔效应、磁阻效应、电阻分压效应、可变电容等。不同的实现方式要对应不同的信号处理策略，其优劣性对比如下：

图3 角度传感器分类

3.1 电阻式转角传感器

电阻式转角传感器的理论依据是电阻的分压原理，它能够通过方向盘的转动带动电阻器上的滑动触电，属于绝对型接触式传感器，滑动触点在运动过程中存在着机械摩擦，滑动触点易磨损，并且工作时易产生噪声，以及体积大不便于安装等一系列缺点。

3.2 光电感应式角度传感器

光电感应式转角传感器也就是我们通常所说的光电编码器。它的工作原理是：安装在方向盘管柱上的转角传感器跟随方向盘转轴的转动，此时光敏元器件会接受到光照，光敏元件将接收到的光信号转化为电信号并经过信号调理电路的整形和放大后变为电压脉冲输出。由于是基于光电感应原理，它的工作需要光源，安装要求较高，存在温度票移和绕线问题以及造价较高易于损坏的缺点。

3.3 电子电容式转角传感器

这种传感器由于只有电子电路构成，没有敏感元器件。缺点在于大量电子部件的存在使得电路的结构庞大复杂，而且很容易受到电磁干扰，因此电子式转角传感器的测量精度不高，不适合用于高精度要求的电动助力系统中。

3.4 霍尔（磁电）式转角传感器

霍尔式转角传感器是由磁敏元件构成的集成传感器，它由霍尔敏感元件、信号调理电路和数字信号处理器构成。它的工作原理是：将磁铁安装在霍尔敏感芯片的上方，霍尔敏感元件能够将磁场的变化转化脉冲信号，经处理放大计算出转角信号。优点是磁敏感范围较大，抗振动干扰和噪声干扰的能力强，结构牢固、体积小便于安装，能够在复杂恶劣的环境下保持较高的灵敏度和测量精度以及造价相对比较便宜。因此，尽管霍尔式传感器存在一定的温漂。EMC磁屏蔽设计要求较高，但依然是目前汽车电控系统中应用最为广泛的转角传

感器。

3.5 磁阻式角度传感器

磁阻式传感器也是基于磁电效应原理的转角传感器，它的优点是：抗噪声抗震动能力强，测量精度和分辨率高，性能稳定使用寿命长。但是由于目前对磁阻敏感元件的制作工艺技术不是很成熟，目前国内对于汽车用磁阻式传感器的研究相对较少，国外对于汽车用磁阻传感器的研究比较成功的企业也相对较少。

磁阻式角度传感器与其他类型比较有如下优势：

根据性能比较可以看出磁阻式和霍尔编码式角度传感器性能远优于其他类型，其耐污染、抗震动、抗噪声能力强的优势令其在汽车上的应用极为普遍。而磁阻式与霍尔式相比较，又具有在低磁场强度下的高敏感度及高分辨率，因此，本文选用磁阻式传感器作为EPS的转角测量元件。

本文选择的KMT32B磁阻角度测量芯片利用两个惠斯通电桥，则平行于芯片表面（X-Y平面）的旋转磁场将产生两个独立的三角函数输出信号，一个是cos2θ，另一个是sin2θ，θ即为传感器和磁场方向的夹角。KMT32B芯片内部电路电桥如图4所示：

图4 传感器电桥

图5 KMT32B输出信号

根据各向异性磁阻效应原理，两个同样的磁阻元件若与磁场夹角方向不一致，则磁阻元件的阻值随磁场方向改变的相位差与两元件的夹角成正比。而KMT32B则巧妙的利用图中简单的两组电桥输出信号摆放位置，使两路信号输出差90°相位，则两路模拟输出信号Vo1、Vo2与磁场变化角度之间关系为：

传感器这种电路设计方式的优势有效去除了计算转角θ中K值对系统测量精度的影响，且便于开发实时的角度测量系统。

图6 角度传感器三维原理图

但由于三角函数的周期性，导致该芯片计算角度时仅能实现0-180°范围内角度的测量，而汽车上如方向盘之类的器件，要求能连续旋转多圈以上，角度范围必然超过360°，甚至达到720°以上，对于EPS中方向盘系统需要360°旋转角度的测量需求尚无法满足，这就需要我们对该角度测量系统进行设计，用KMT32B完成多圈角度测量。

如图所示该装置为大齿轮啮合两个小齿轮，设大齿轮（主动齿轮）齿数为m，从动齿轮1齿数为m1，从动齿轮2齿数为m2。设主轴齿轮的行程为n周，则从动齿轮2在行程内一共转过（m*n/m2）*360°，从动齿轮1共转过（m*n/m1）*360°，为了保证主轴在整个行程的绝对角位置与2个从动齿间的角位置关系一一对应，有

2个KMT32B分别检测出2个从动齿轮的角度，根据角度差值情况就能测得主动齿轮的角度值。

根据最后换算公式可知，当从动齿轮1和从动齿轮2差值越小，该角度测量系统的量程越大，主动齿轮与从动齿轮比值越大，传感器体积越小；综合考虑转角测量系统尺寸大小，并且尽量让两个从动齿轮齿数接近，本文设定的两个从动齿轮齿数分别为17，18；既M*n<306；而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，这设定n=6，m=51。

5 EPS转角测量系统设计

方向盘角度传感器能够检测到方向盘角度的变化，它是电动助力转向（EPS）系统控制器（ECU）的重要输入信号。作为EPS系统ECU的重要控制信号之一，它的输出信号精度能够大大优化和改善EPS系统的电动助力方向盘回正性能。

按照汽车EPS系统对方向盘角度传感器的测量范围和测量精度的要求，本文设计了一款基于磁阻效应的非接触式方向盘绝对转角传感器系统，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合其中CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案，其原理框图如下：

图7 非接触式角度测量系统原理框图

系统主要由被测部件、磁阻角度传感器、信号处理系统、单片机系统MC9S08DZ60、CAN通信网络、EPS控制系统。系统中2个磁阻元件将感受到的磁钢位置的变化经过信号预处理电路的调理后输入到信号电子处理单元中进行实时的角度计算。电子处理单元依据事先植入的绝对角度算法程序计算并输出方向盘的绝对转角。

图8 转角计算

6 实验结果与分析

按照上面设计的系统研制出实际的转角测量装置，并在相应的角度检测设备上进行了实验测试。测试分量程范围：0°～2160°，最终测量结果如表2所示。

在0°～2160°范围内进行角度测量的实验结果见表1。由表可见全角范围内，测量精度达到±0.9°。

图9 角度误差测量数据

经过多次重复试验，对数据进行分析后，如图10所示，误差基本一致，平均误差仅有±0.6°，且线性度较好。

6 结语

由表1的测量结果显示：磁阻传感器在角度测量精度能够达到一般车载EPS系统要求，且经过多次重复实验后所得数据在处理后其线性度并无较大误差，这就可以说明以该原理设计的角度传感器系统的重复性很好，传感器总体性能能够很好地满足车用传感器要求。

实验证明角度测量传感器系统具有其非接触、绝对式、大范围、小体积、高精度测量等优点，特别是其多圈角度测量的设计方案合理，值得在车辆转向角度测量中推广，相信这一思路方向发展的角度测量传感器具有良好的市场需求。

参考文献

[1] 梁长垠.磁阻式传感器在角度测量中的应用[J].

传感器技术，2005，24，（4）.

[2] 毕玲峰，高明.磁阻式传感器在EPS中的应用[J].

汽车科技，2012，3（5）.

[3] 赵继文.传感器与应用电路设计.北京：科学出版

社，2002.

[4] 郑然.基于AMR效应的磁阻位移传感器设计[D].

西安：西北工业大学，2007.

[5] 林邵华.霍尔传感器原理及其在车川传感器中的应

用[J]，轻型汽车技术，2003，12（5）：14-16.

作者简介：王加熙（1985—），男，江苏盐城人，上海交通大学自动化系工程师，研究方向：电气工程与自动化专业。

本文选择的KMT32B磁阻角度测量芯片利用两个惠斯通电桥，则平行于芯片表面（X-Y平面）的旋转磁场将产生两个独立的三角函数输出信号，一个是cos2θ，另一个是sin2θ，θ即为传感器和磁场方向的夹角。KMT32B芯片内部电路电桥如图4所示：

图4 传感器电桥

图5 KMT32B输出信号

根据各向异性磁阻效应原理，两个同样的磁阻元件若与磁场夹角方向不一致，则磁阻元件的阻值随磁场方向改变的相位差与两元件的夹角成正比。而KMT32B则巧妙的利用图中简单的两组电桥输出信号摆放位置，使两路信号输出差90°相位，则两路模拟输出信号Vo1、Vo2与磁场变化角度之间关系为：

传感器这种电路设计方式的优势有效去除了计算转角θ中K值对系统测量精度的影响，且便于开发实时的角度测量系统。

图6 角度传感器三维原理图

但由于三角函数的周期性，导致该芯片计算角度时仅能实现0-180°范围内角度的测量，而汽车上如方向盘之类的器件，要求能连续旋转多圈以上，角度范围必然超过360°，甚至达到720°以上，对于EPS中方向盘系统需要360°旋转角度的测量需求尚无法满足，这就需要我们对该角度测量系统进行设计，用KMT32B完成多圈角度测量。

如图所示该装置为大齿轮啮合两个小齿轮，设大齿轮（主动齿轮）齿数为m，从动齿轮1齿数为m1，从动齿轮2齿数为m2。设主轴齿轮的行程为n周，则从动齿轮2在行程内一共转过（m*n/m2）*360°，从动齿轮1共转过（m*n/m1）*360°，为了保证主轴在整个行程的绝对角位置与2个从动齿间的角位置关系一一对应，有

2个KMT32B分别检测出2个从动齿轮的角度，根据角度差值情况就能测得主动齿轮的角度值。

根据最后换算公式可知，当从动齿轮1和从动齿轮2差值越小，该角度测量系统的量程越大，主动齿轮与从动齿轮比值越大，传感器体积越小；综合考虑转角测量系统尺寸大小，并且尽量让两个从动齿轮齿数接近，本文设定的两个从动齿轮齿数分别为17，18；既M*n<306；而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，这设定n=6，m=51。

5 EPS转角测量系统设计

方向盘角度传感器能够检测到方向盘角度的变化，它是电动助力转向（EPS）系统控制器（ECU）的重要输入信号。作为EPS系统ECU的重要控制信号之一，它的输出信号精度能够大大优化和改善EPS系统的电动助力方向盘回正性能。

按照汽车EPS系统对方向盘角度传感器的测量范围和测量精度的要求，本文设计了一款基于磁阻效应的非接触式方向盘绝对转角传感器系统，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合其中CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案，其原理框图如下：

图7 非接触式角度测量系统原理框图

系统主要由被测部件、磁阻角度传感器、信号处理系统、单片机系统MC9S08DZ60、CAN通信网络、EPS控制系统。系统中2个磁阻元件将感受到的磁钢位置的变化经过信号预处理电路的调理后输入到信号电子处理单元中进行实时的角度计算。电子处理单元依据事先植入的绝对角度算法程序计算并输出方向盘的绝对转角。

图8 转角计算

6 实验结果与分析

按照上面设计的系统研制出实际的转角测量装置，并在相应的角度检测设备上进行了实验测试。测试分量程范围：0°～2160°，最终测量结果如表2所示。

在0°～2160°范围内进行角度测量的实验结果见表1。由表可见全角范围内，测量精度达到±0.9°。

图9 角度误差测量数据

经过多次重复试验，对数据进行分析后，如图10所示，误差基本一致，平均误差仅有±0.6°，且线性度较好。

6 结语

由表1的测量结果显示：磁阻传感器在角度测量精度能够达到一般车载EPS系统要求，且经过多次重复实验后所得数据在处理后其线性度并无较大误差，这就可以说明以该原理设计的角度传感器系统的重复性很好，传感器总体性能能够很好地满足车用传感器要求。

实验证明角度测量传感器系统具有其非接触、绝对式、大范围、小体积、高精度测量等优点，特别是其多圈角度测量的设计方案合理，值得在车辆转向角度测量中推广，相信这一思路方向发展的角度测量传感器具有良好的市场需求。

参考文献

[1] 梁长垠.磁阻式传感器在角度测量中的应用[J].

传感器技术，2005，24，（4）.

[2] 毕玲峰，高明.磁阻式传感器在EPS中的应用[J].

汽车科技，2012，3（5）.

[3] 赵继文.传感器与应用电路设计.北京：科学出版

社，2002.

[4] 郑然.基于AMR效应的磁阻位移传感器设计[D].

西安：西北工业大学，2007.

[5] 林邵华.霍尔传感器原理及其在车川传感器中的应

用[J]，轻型汽车技术，2003，12（5）：14-16.

作者简介：王加熙（1985—），男，江苏盐城人，上海交通大学自动化系工程师，研究方向：电气工程与自动化专业。

本文选择的KMT32B磁阻角度测量芯片利用两个惠斯通电桥，则平行于芯片表面（X-Y平面）的旋转磁场将产生两个独立的三角函数输出信号，一个是cos2θ，另一个是sin2θ，θ即为传感器和磁场方向的夹角。KMT32B芯片内部电路电桥如图4所示：

图4 传感器电桥

图5 KMT32B输出信号

根据各向异性磁阻效应原理，两个同样的磁阻元件若与磁场夹角方向不一致，则磁阻元件的阻值随磁场方向改变的相位差与两元件的夹角成正比。而KMT32B则巧妙的利用图中简单的两组电桥输出信号摆放位置，使两路信号输出差90°相位，则两路模拟输出信号Vo1、Vo2与磁场变化角度之间关系为：

传感器这种电路设计方式的优势有效去除了计算转角θ中K值对系统测量精度的影响，且便于开发实时的角度测量系统。

图6 角度传感器三维原理图

但由于三角函数的周期性，导致该芯片计算角度时仅能实现0-180°范围内角度的测量，而汽车上如方向盘之类的器件，要求能连续旋转多圈以上，角度范围必然超过360°，甚至达到720°以上，对于EPS中方向盘系统需要360°旋转角度的测量需求尚无法满足，这就需要我们对该角度测量系统进行设计，用KMT32B完成多圈角度测量。

如图所示该装置为大齿轮啮合两个小齿轮，设大齿轮（主动齿轮）齿数为m，从动齿轮1齿数为m1，从动齿轮2齿数为m2。设主轴齿轮的行程为n周，则从动齿轮2在行程内一共转过（m*n/m2）*360°，从动齿轮1共转过（m*n/m1）*360°，为了保证主轴在整个行程的绝对角位置与2个从动齿间的角位置关系一一对应，有

2个KMT32B分别检测出2个从动齿轮的角度，根据角度差值情况就能测得主动齿轮的角度值。

根据最后换算公式可知，当从动齿轮1和从动齿轮2差值越小，该角度测量系统的量程越大，主动齿轮与从动齿轮比值越大，传感器体积越小；综合考虑转角测量系统尺寸大小，并且尽量让两个从动齿轮齿数接近，本文设定的两个从动齿轮齿数分别为17，18；既M*n<306；而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，而设计的角度测量系统至少要能实现方向盘4圈角度的测量，这设定n=6，m=51。

5 EPS转角测量系统设计

方向盘角度传感器能够检测到方向盘角度的变化，它是电动助力转向（EPS）系统控制器（ECU）的重要输入信号。作为EPS系统ECU的重要控制信号之一，它的输出信号精度能够大大优化和改善EPS系统的电动助力方向盘回正性能。

按照汽车EPS系统对方向盘角度传感器的测量范围和测量精度的要求，本文设计了一款基于磁阻效应的非接触式方向盘绝对转角传感器系统，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合其中CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案，其原理框图如下：

图7 非接触式角度测量系统原理框图

系统主要由被测部件、磁阻角度传感器、信号处理系统、单片机系统MC9S08DZ60、CAN通信网络、EPS控制系统。系统中2个磁阻元件将感受到的磁钢位置的变化经过信号预处理电路的调理后输入到信号电子处理单元中进行实时的角度计算。电子处理单元依据事先植入的绝对角度算法程序计算并输出方向盘的绝对转角。

图8 转角计算

6 实验结果与分析

按照上面设计的系统研制出实际的转角测量装置，并在相应的角度检测设备上进行了实验测试。测试分量程范围：0°～2160°，最终测量结果如表2所示。

在0°～2160°范围内进行角度测量的实验结果见表1。由表可见全角范围内，测量精度达到±0.9°。

图9 角度误差测量数据

经过多次重复试验，对数据进行分析后，如图10所示，误差基本一致，平均误差仅有±0.6°，且线性度较好。

6 结语

由表1的测量结果显示：磁阻传感器在角度测量精度能够达到一般车载EPS系统要求，且经过多次重复实验后所得数据在处理后其线性度并无较大误差，这就可以说明以该原理设计的角度传感器系统的重复性很好，传感器总体性能能够很好地满足车用传感器要求。

实验证明角度测量传感器系统具有其非接触、绝对式、大范围、小体积、高精度测量等优点，特别是其多圈角度测量的设计方案合理，值得在车辆转向角度测量中推广，相信这一思路方向发展的角度测量传感器具有良好的市场需求。

参考文献

[1] 梁长垠.磁阻式传感器在角度测量中的应用[J].

传感器技术，2005，24，（4）.

[2] 毕玲峰，高明.磁阻式传感器在EPS中的应用[J].

汽车科技，2012，3（5）.

[3] 赵继文.传感器与应用电路设计.北京：科学出版

社，2002.

[4] 郑然.基于AMR效应的磁阻位移传感器设计[D].

西安：西北工业大学，2007.

[5] 林邵华.霍尔传感器原理及其在车川传感器中的应

用[J]，轻型汽车技术，2003，12（5）：14-16.

作者简介：王加熙（1985—），男，江苏盐城人，上海交通大学自动化系工程师，研究方向：电气工程与自动化专业。