基于光电编码器的方向盘转角传感器

舒望（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲　412001）

基于光电编码器的方向盘转角传感器

舒望
（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲412001）

摘要：提出了一种以绝对式多圈光电编码器为核心器件的方向盘转角传感器，重点给出该转角传感器的硬件和软件实现方法，传感器通过光电编码器获得方向盘转动的角度，通过主控制器将编码器输出的电信号转换成角度值，再通过CAN总线共享给汽车其他模块。通过实验对比分析该传感器具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强等优点。

关键词：光电编码器；转角传感器；CAN总线

0　引言

方向盘转角传感器是汽车转向系的重要组成部分，同时也是汽车ESP（Electronic Stability Pro⁃gram）系统的组成部分[1]，现有的方向盘转角传感器以霍尔式为主，这种类型的传感器属于磁敏元件，在复杂的磁场环境中容易受干扰，且这类传感器精度不会很高，量程也比较小[2]。

本文提出了一种高精度、抗干扰能力强的方向盘转角传感器，该传感器以绝对式多圈光电编码器为核心，利用光电编码器感知方向盘转动的角度，再将光电编码器输出的信号送入主控制器，通过一定的算法将其转换成角度值[3]。

1　转角测量原理

基于光电编码器的方向盘转角传感器结构及安装方法如图1所示，采用空心轴式的光电编码器将其套在方向盘的转动轴上，当方向盘转动时带动光电编码器的空心轴旋转，利用编码器的内部电路将旋转的角度值以数字式输出，再通过传感器的内部电路对角度值进行修正，再通过传感器的CAN（Controller Area Network）总线输出至汽车的EPS（Electrionic Power Shift）模块[4]。

图1　传感器测量结构示意图

2　基于光电编码器的转角传感器

基于光电编码器的方向盘转角传感器由主控制器、光电编码器接口、汽车通讯网络接口、电源四部分构成，结构如图2所示[5]。

在图2所示的转角传感器中，光电编码器接口与光电编码器相连，提供与光电编码器接口相一致的协议，将光电编码器输出的数字式角度值输出至主控制器中；汽车通讯网络接口与汽车车载网络相连，在主控制器的控制下将角度值通过车载网络输出给EPS模块；主控制是核心控制器件，控制光电编码器接口和汽车通讯网络接口。

图2　转角传感器系统结构图

3　转角传感器电路设计

3.1光电编码器接口

基于光电编码器的转角传感器其角度测量的核心器件是光电编码器，本文采用绝对式多圈光电编码器（型号E6CP-A），该光电编码器的输出接口是RS485接口，传感器直接输出数字式的角度值，无需进行角度值的转换。因此，光电编码器的接口电路只需一个485协议转换芯片就能实现要求，该电路如图3所示[6]。

图3　光电编码器接口电路

在图3所示的光电编码器接口电路中，P1与光电编码器的RS485接口连接，同时为光电编码器提供12 V的电源，U3将RS485接口转换为RS232。

3.2汽车通讯网络接口

传感器测量出的角度值需要送至汽车的EPS模块，传感器与EPS模块之间通过CAN总线连接，传感器汽车通讯网络接口电路如图4所示。

图4　汽车通讯网络接口电路

在图4所示的电路中，U2为CAN总线驱动芯片，P2与汽车的EPS模块相连，同时由EPS模块为传感器提供12 V的电源。

3.3主控制器电路

传感的控制核心是主控制器，主控制器对光电编码器接口电路、汽车通讯网络接口电路进行控制，其电路如图5所示。

图5　主控制器电路

图5所示的电路中，主控制器采用PIC的单片机，该单片机具有功耗低、抗干扰能力强等优点，同时还自带RS232接口和CAN总线接口，这样极大地简化了接口电路设计。

4　系统软件设计

在传感器的软件设计中重点考虑的是角度值的准确性和系统的稳压性，为了解决传感器的准确性可以通过多次读取角度值通过递推平均值的算法来实现，同时各事件的处理采用中断的方式来实现，能有效地提高系统的可靠性，主程序流程如图6所示[7]。

5　结语

本文研究的汽车方向盘转角传感器以绝对多圈式光电编码器为测量核心，通过光电编码器与方向盘转向轴同步旋转，光电编码器的光栅码盘输出绝对式值，同时光电编码器能旋转多圈，因此，可以实现大角度的测量，从而满足汽车方向盘旋转多圈的要求，通过实验传感器的测量分辨率能够达到1.4°左右。

图6　主程序流程图

参考文献：

［1］王俊，杨胜兵，过学迅.汽车方向盘转角传感器系统设计及算法研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2011，25（1）：19-21.

［2］朱启林.汽车EPS转矩转角集成传感器的研发［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［3］于晓东，胡大欣.旋转编码器在回转体回转角度测量中的应用［J］.林业机械与木工设备，2005（2）：43-44.

［4］石炜，朱光宇.基于陀螺仪的方向盘转角传感器［J］.仪表技术与传感器，2014，（9）：6-8.

［5］陈富安，李江江.迈锐宝等汽车用方向盘转角传感器工作原理研究［J］.汽车实用技术，2015（4）：4-6.

［6］浦昭邦，陶卫.角度测量的光学方法［J］.光学技术，2002（2）：168-171.

［7］周良杰，赵治国。方向盘转角传感器误差成因与补偿的研究［J］.仪表技术与传感器，2013（11）：7-10.

(编辑：向飞)

Steering Wheel Angle Sensor based on Photoelectric Encoder

SHU Wang
（Hunan Automotive Engineering Vocational College，Zhuzhou412001，China）

Abstract:This paper presents a sensor of steering wheel rotation angel，taking the absolutely photoelectric encoder at the core component.The key point is to give a way to achieve the hardware and software of this rotation angle sensor.The sensor get the wheel rotation angle by the photoelectric encoder，and the MCU converts the receiving electric signal from encoder into angle values，then other moderns can share these values through CAN bus.By contrast experiments，the analysis shows the sensor advantages of high measurement accuracy，simple structure，strong ability of anti-interference.

Key words:photoelectric encoder；angle sensor；CAN Bus

作者简介：舒望，男，1983年生，湖南株洲人，硕士，讲师。研究领域：嵌入式系统、智能电子产品。已发表论文8篇。

收稿日期：2015－07－13

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.031

中图分类号：TP23

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 (2015 ) 08－0114－03