迈锐宝等汽车用方向盘转角传感器工作原理研究

陈富安，李江江

（河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

迈锐宝等汽车用方向盘转角传感器工作原理研究

陈富安，李江江

（河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

汽车方向盘转角传感器能够监测方向盘的转角大小及转动方向,是汽车安全性驾驶的核心保障器件，可为电子车身稳定系统或者电动助力系统提供精确的转角位置信息。对其工作原理进行研究并与常见转角传感器工作原理进行对比，结果验证了其工作原理的优越性和可靠度，为汽车电子差速技术的发展奠定一定的基础。

转角传感器；MLX90316；槽型光电；混合测圈

CLC NO.: TP212.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-04-03

引言

目前，方向盘转角传感器SAS（steering wheel Angle sensor）主要有滑动电阻式、磁感应式、霍尔式和光电式等几种[1]。而比较主流的转角传感器（如德国BOSCH生产的转角传感器LWS5）几乎都是利用转向柱大齿轮带动2个嵌入小磁铁的从动小齿轮转动，ECU检测到这2个从动小齿轮的转动角度，再通过软件程序计算出转向柱大齿轮的绝对转角[2]。此种SAS虽然技术成熟、准确度高、寿命长，但其价格昂贵，不是电动汽车行业的理想选择，再加上此种SAS内部使用2个从动小齿轮，并且从动小齿轮上方都加有MLX90316转角传感器，从而导致结构紧凑，不利于安装，也增加了成本。然而近期市面上以雪佛兰迈锐宝、别克新君威、别克新君越等为代表的欧美中型车，由于性能优越，价格适宜，同时具备豪华感，所以成为了大家所热捧的车型。与此同时出现的这三款车型都能够使用的方向盘转角传感器，其型号为C68049XF25849366ANA761008A，由于价格低廉、通用性强、精度高、寿命长等优点为众多电动汽车制造商所青睐，本文针对这三款车型均可使用的SAS进行研究，分析其工作原理并运用matlab进行了仿真验证，说明了其优越性和可靠性。

1、方向盘转角传感器整体结构分析

方向盘转角传感器C68049XF25849366ANA761008A主要包括电路设计和机械设计两大部分。其中电路设计部分主要包括1个角度测量芯片MLX90316、5个槽型光电传感器SG278编码阵列、CAN通信电路模块、电源稳压电路等。方向盘转角传感器的整体结构如图1所示，该传感器一般安装在方向盘转向管柱上。当方向盘转动时，转向管柱带动主齿轮转动，主齿轮带动从动小齿轮转动。而从动小齿轮中间安装有带有磁性的小磁铁，当从动小齿轮转动时，中间小磁铁也随着从动小齿轮转动，从而引起小磁铁周围的磁场方向发生变化，小磁铁正上方的MLX90316芯片能够检测到磁场的变化，并且输出与小磁铁转动角度成线性关系的模拟电压，微处理器将此模拟电压信号经过A/D 转换后，进入内部DSP芯片计算出转向柱齿轮的转动角度。

1.1 SAS的硬件构成

方向盘转角传感器整体硬件结构如图2所示。

1.2 MLX90316芯片的工作原理

MLX90316是一款CMOS转角传感器,它运用Tria⊗is(三轴)霍尔技术获取角度信息，芯片前端包括两对相互正交的传统平面霍尔元件和一个集磁片（IMC），检测原理图如图3所示。由于MLX90316采用差分模式，垂直于芯片表面的外部磁感应强度被抵消，剩下来的平行于芯片表面的磁场B//将被分解在两个方向上分别被测量，记为BX//和BY//。芯片中的IMC会将BX//和BY//变换为与之成正比的两个垂直方向上的分量BX⊥和BY⊥，然后由芯片中的传统平面霍尔元件测量这两个垂直分量[3-4]。

在MLX90316内部，这两对霍尔元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90o的正余弦信号。感应到的这两个正比于磁场强度的信号（Vx和Vy）将被放大、采样、转换为数字信号,这两个数字信号将通过DSP处理器中的反正切函数算法来计算方向盘转动的角度，且输出电压Vx，Vy与小磁铁转角θ之间的计算公式如下[5]：

表征当前角度值的数字信号再通过D/A转换器变回模拟信号，最后的输出信号可以在模拟输出、PWM输出以及串行数字通信（SPI）中选择。MLX90316芯片的内部结构如图4所示。

1.3 槽型光电传感器工作原理

槽型光电传感器是把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽型光电传感器具有抗光干扰能力强、工作频率高、响应时间短、分辨率高等特点，即使是非常小的零部件都能够精准地定位，甚至是快速移动的物体都可以可靠检测[6]。本文研究的方向盘转角传感器采用槽型光电传感器SG278，其外观图和内部工作原理图如图5所示。

2、SAS工作原理分析

通过上述原理的分析，由于MLX90316输出的是当前磁场方向与芯片某一固定方向的角度，其测量的数值范围在0o～360o(到一周后自动归零)，但是一般汽车方向盘的转动范围都在±1.5圈即行程共1080o[7]。基于以上原理的分析，小齿轮的转动圈数一定大于1080o，超出了MLX90316芯片的测量范围，这样就需要记录齿轮转动圈数，但这样会使传感器的结构和程序变得复杂，为避免这种问题的出现，该种SAS配用5个槽型光电传感器（SG278）联合MLX90316 角度传感器来测量方向盘全部行程内的角位移，这里5个槽型光电传感器排成120度圆弧型阵列，y1为通过光电传感器阵列方式采集的转角；y2为MLX90316通过自身上方磁场的变化测量出的转角； x为转角传感器的实际角度。转向管柱带动主齿轮转一圈，光电传感器阵列检测角度就是360o，则光电传感器阵列检测到的角度y1与实际角度x的函数关系式为：

与光电传感器阵列相关的主齿轮有36个齿，而与MLX90316相关的从动小齿轮有20个齿，主齿轮与从动小齿轮的齿数比为9:5,即从动小齿轮每转360°，相应的转向柱主齿轮转动200°，即转角传感器转动的实际角度是200°，所以该信号是一个以200°为周期的周期信号，因此MLX90316测量出的转角y2与转角传感器的实际角度值x之间的函数关系如下式：

例如某时刻通过光电传感器阵列采集到的角度是y1，通过MLX90316采集到的角度是y2，将y2代入函数式（2）中可以解得x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28,x29等9个解，由于不知此刻是在第几圈的位置，所以仅有这9个值不能确定方向盘的转角，所以此刻需要光电传感器SG278的配合。这时将这9个值代入到函数式（1）中可以解得9个y1的值，这9组解中必定有且只有一个x2*对应得到的y1*与主齿轮实际检测到的转角y1相等，那么转角传感器实际转过的角度x=x2*。其中光电传感器阵列和MLX90316传感器分别测量的角度值y1，y2与方向盘实际转角值x关系如图6所示。

运用matlab软件进行仿真，其结果表明该传感器能够准确测量出汽车方向盘的转角，可以为车身电子稳定系统（Electronic Stability Program，ESP）和电动助力转向系统（Electronic Power Steering，EPS）提供精确的方向盘位置信号。实际上光电传感器的精度很低，即y1*与实际的y1相等也是光电传感器检测角度的误差范围内的相等。MLX90316的检测精度相对光电传感器的检测精度要高的多。所以采用MLX90316计算出的x2*的值为转角传感器的实际转角值，所以转角传感器的角度检测精度与MLX90316的检测精度相同，然而这足以满足汽车方向盘转角测量的要求。

常见的SAS构成大致为两种：（1）三个齿轮，两个MLX90316传感器配合测转角。（2）两个齿轮，一个MLX90316传感器，再配合掉电可记忆的存储器（主要存储旋转圈数）测转角。与常见的SAS工作原理相比，此种转角传感器设计方法避免了常见的SAS寿命短、价格昂贵、技术保密性强不利于开发的缺点，其优越性和可靠性显而易见。

3、结论

目前市面上的方向盘转角传感器大多是进口产品，由于价格昂贵并且技术保密度高，不利于我国汽车业的发展，特别是随着我国电动汽车时代的到来，价格适宜，精确度高，寿命长的SAS需求量越来越大，所以本文针对目前市面上比较流行的欧美中型款车中（雪佛兰迈锐宝、别克新君威、别克新君越）可以替换使用的新型方向盘转角传感器进行研究，分析了其硬件电路构成及其内部主要元器件的工作原理，主要研究了该传感器内部MLX90316芯片与槽型光电传感器SG278之间相互配合测量方向盘转角的原理，并进行了公式推导和matlab验证，结果表明此种方向盘转角传感器具有高的优越性和可靠度。此研究也为电动汽车中电子差速器的研究奠定了一定基础。

[1]杨财，周艳霞.方向盘转角传感器研究进展［J］.传感器与微系统, 2007，26（11）：1-4.

[2]戴望军,石广林,熊松林,尹乐军,姜友清.基于MC9S08DZ60汽车方向盘转角传感器的开发[J]. 湖北汽车工业学院学报.2013(02).

[3]印友军.基于霍尔原理的非接触式位置传感器的研究与应用［D］.上海：上海交通大学，2012：27-29.

[4]Microelectronic Integrated Systems.MLX90316 Rotary Position Sensor IC [R].[S.1.]: Melexis,2007.

[5]赖宗声,蔡彦,郑学军,贺德洪,郑筱莉.一种新型磁敏集成角度传感器及其测量系统[J].传感器技术.2001(01).

[6]颜晓河,董玲娇,苏绍兴.光电传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备.2006(01).

[7]李浩,徐衍亮.电动汽车方向盘绝对角位置传感器的研究［J］.传感器与微系统，2011，30（3）：32-34.

Study on the working principle of the MALIBU car and so on with a steering wheel Angle sensor

Chen Fuan, Li Jiangjiang
( Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450001 )

Steering wheel Angle sensor can monitor the size of the steering wheel Angle and the rotation direction. It is the core of the car driving safety protection devices. For electronic stability system or the electric power system provides the accurate location information. Study on its working principle and compare with common Angle sensor working principle, its working principle was verified the advantages of reliability, for the development of automobile electronic differential technology lay a certain foundation.

SAS; MLX90316; Trough type photoelectric; Mix measuring circle

TP212.6

A

1671-7988(2015)04-04-03

陈富安，就职于河南工业大学。