线控转向系统角度传感器的调理电路设计

2018-05-26曹杰王保华陈小兵

汽车实用技术 2018年8期

曹杰，王保华，陈小兵

（湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002）

前言

汽车线控转向系统是以电子控制取代机械连接的控制装置。角度传感器是线控转向系统中最为重要的一个检测装置，其输出参数的正确度直接影响着线控系统的控制效果。文章针对角度传感器在测量过程中出现的误差，做出必要的分析并给出相应的调理方法，同时对调理方法进行一定的验证，设计出合理的信号量调理电路。

1 传感器参数及误差分析

1.1 题传感器参数

本次研究设计采用的传感器为WDG-AM23-90角度传感器，在实验设计中采用5V电源供电，输出信号进行必要的隔离屏蔽处理，该传感器有3根接线，分别为：电源正极端子、电源负极端子、测量信号输出端子，传感器实物及接线分布如下图1所示。

图1 角度传感器及输出接线

通过实际的测量可知，在本次电路中使用了RC低通滤波电路，效果不理想，通过控制系统的上位机监控得到在静态误差下实际纹波误差达到了 50mv，本次研究就是基于该现象，对其进行阐述和扼要分析，并提出相应的处理方法。

1.2 纹波产生的原因

对于传感器产生纹波噪音进行分析，总结其产生的原因主要有以下4点：

①由于传感器的制造工艺等原因，带来的固有噪音信号；

②所设计电源电路不合理，带来电源的输入噪音信号；

③电路板的Layout设计不合理，其受到了其他模块设备的干扰；

④传感器的调理电路设计不合理，未能够很好了调理传感器的输出信号。

2 调理电路方案

2.1 电容滤波

对于模拟量的调理，一般会考虑使用滤波电路，其利用电容的特性——“隔直流通交流”。如图2所示。

图2 电容滤波示意图

在图2中，1为输入信号（含高频噪音信号），当输入信号进入时，由于电容 C的存在，对于噪音信号，（一般其频率都为 kHz～MHz级），那么其在电容 C上产生的阻抗Zc=1/(jωc)，对应点Zc就很小，此时电容C对于噪音相当于通路，而对于有效的直流信号相当于断路。高频噪音信号通过回路2流回GND，而直流信号经过通路3进入下一级，这样就达到了过滤噪音信号的目的。

在理想状态下电容为纯电容器件，再滤波电路中会被认为越大越好，但实际的应用中，由于电容引脚、PCB焊盘及PCB布线的原因，实际的电容都存在等效串联电感（ESL）及等效串联电阻（ESR），如图3所示。

图3 电容的等效ESL及ESR

由于ESL及ESR的存在，实际的电容的等效阻抗为：

式中，lESL为等效串联电感的值；

RESR等效串联电阻的值；当出现

电路会形成一个串联谐振，此时等效电感的感抗的模等于等效电容的容抗的模而发生谐振，ZC出现最小值为RESR，此时，电容的滤波效果是最好的。电容的种类有多种，使用最多的时下面三种：陶瓷电容、电解电容、钽电容，它们的阻抗特性，如图4所示。

图4 陶瓷、电解及钽电容的阻抗特性

通过上图4可以看出，陶瓷电容的自谐振最显著，0.1uF陶瓷电容的频率阻抗特性，如下图5所示。

图5 陶瓷电容的频率特性

对于模拟量的输入一般根据谐波的频率，选取多组不同谐振频率的电容进行并联来达到滤波的效果。常用的陶瓷电容机器自谐振频率如下表1所示。

表1 陶瓷电容自谐振频率

电解电容与钽电容的阻抗变化并没有像陶瓷电容那样有明显的自谐振点，其会在一定的频率范围内阻抗几乎保持不变，如下图6所示。红色为某公司1000uF的电解电容，蓝色为330uF的钽电容。

图6 电解电容和钽电容的最佳滤波频段

一般情况下考虑到经济性原因，钽电容要比电解电容贵100倍左右，故一般会考虑使用电解电容，根据大多数公司的电解电容数据，常用的电解电容及其最佳滤波频段如下表2所示。

表2 电解电容最佳滤波频段

通过对比表1与表2可以看出，电解电容的最佳频率可以做到很低，而陶瓷电容的频率一般都较高，故在正常的使用的时候使用多电容并联来达到更好的滤波效果，如下图7所示。

图7 多电容并联滤波

2.2 使用运算放大器实现阻抗匹配

电容滤波虽然成本低廉，但是存在一定的缺陷，传感器的阻抗与电容C组成了RC滤波器，组成的RC滤波一般会对后级电路产生衰减，在求更高精度的电路，需要将输入信号与后级电路进行隔离，根据集成运放电路的特点—“输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小”，利用改特点可以实现传感器与MCU的ADC端口进行隔离效果。运算放大器如图8所示。

图8 运算放大器示意图

利用运算放大器“虚断”特性，虚断--同相输入和反相输入电流相当于断路即i+=i-。根据上述理论，跟踪器的输入电流几户为零，根据欧姆定律器输出阻抗为：

对于运算放大器，其内部的核心电路为放大电路，输出级一般为共集放大电路，与放大倍数呈反比关系，输出阻抗非常小，因此对于运放其开环比例放大系数 Aod理想状态下无穷大，所以其输出阻抗无穷小。这样对于输入信号,无论其阻抗如何变化，其在输出端的输出阻抗始终无穷小接近于0，就达到了很好的隔离效果。

运算放大器还有一个特性“虚短”，虚短--同相输入和反相输入电压相当于短路，即 U+=U-，电压跟随器就是利用该特性及上文的运算放大器特性来实现电压跟随功能，如下图9所示。

图9 电压跟随器

利用虚短特性，输出电压与输入电压的关系为：

这样就达到了输入与输出隔离，并把信号进行传递的效果。上面讨论的为理想状态下，实际的运算放大器并非是一个理想器件，其面临着1个重要的问题---零点漂移，即当输入信号为零的时候，输出电压不为 0，特别是对于很多的设计的电路中采用了单电源的供电，其零点漂移更加显著。零点漂移如下图10所示。

图10 零点漂移

零点漂移，即当运算放大器的同相 U+与反相输入U-的差为0时，输出电压Uo不为零。这个现象由多种原因引起，包括运放电源电压波动、元件老化、半导体元件参数随温度变化而变化，一般温度变化带来的变化影响最大，故零点漂移也称为温度漂移。抑制温度漂移的方法由4种：

①使用稳定的单位增益运放；

②使用调零电路来实现；

③使用恒温工作环境；

④采用温度补偿电路。

2.1.1 使用稳定的单位增益运放

现在许多公司都生产有单位增益稳定的运算放大器，如Analog Devices公司生产的ADA4899-1具有很低的输入偏置及稳定的单位增益环境，如图11所示。

图11 ADA4899-1单位增益原理图

该类型运算放大器具有稳定的单位增益环境，并且具有独立的输出反馈引脚，其在一定频率以内的小信号单位增益非常稳定，如下图12所示。在增益为Gain=1的闭环电路中，在其对25mV的小信号在100MHz以内，具有无衰减的跟随效果。

图12 ADA4899-1单位增益频率响应

2.1.2 使调零电路来实现

首先运放的差分输入就是一种抑制零漂的调零方法。对称性可以大大减小温度引起的零漂。电源上引起的零漂可以用尽量有稳定输出的电源，并加耦合电容减小噪声。让两个输入端看进去的阻抗相互匹配。一般可以在外部加调零电路用滑动变阻器接到电源上来调零。外部调零电路如图 13所示。

图13 外部调零电路

2.1.3 使用恒温工作环境

在设计电路的时候，对需要精密测量模拟信号的端口进行测量，可以设计必要的散热系统及加热系统保障电路板在酷热或极寒的环境中，保持在相对恒定的温度，提高测量系统的稳定性。

2.1.4 采用温度补偿电路

图14 补偿电路

如下图11所示，RC、C与RP一起组成相位补偿电路，温度变化带来集成运放内部放大电路的不一致，通过补偿让其达到一致。对于补偿电路一般有3种处理方法，超前补偿、滞后补偿、超前滞后补偿，这里所描述为滞后补偿电路，如图14所示。在如上的电路中，先将CB短接，将RB由大到小调节，直到放大器进入临界状态（出现振荡状态），此时，示波器看到的近似于正弦波。根据示波器计算出当前的振荡频率f，该频率就是放大器放大倍数为1时的频率。

补偿电容CB的值可按下式估算，即

或者

3 实验结果及分析

为了达到良好的电压跟踪效果，考虑到单电源对运算放大器的影响，此次使用双电源设计方案，使用AD公司的电源芯片TPS65131，该电源芯片为单电源输入双电源输出，输入电压VINP的范围为（-0.3V,17V），符合汽车的电压等级，工作温度为-40℃～125℃，通过内部的BUCK-BOOST变换电路可以实现-17V～17V的正负双电压输出。在电路的设计中，对于输入端口采用多电容滤波方案，使用稳定的单位增益运算放大器作为电压跟随器，电路设计如图所示17所示。