逄金鑫，潘海林,，張 清，王江濤，唐光德，趙振杰

(1.納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心，上海 200062；2.國家可信嵌入式軟件工程技術研究中心,上海 200062)

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基于轉(zhuǎn)角差法的扭矩傳感器設計

逄金鑫1，潘海林1,2，張 清2，王江濤2，唐光德2，趙振杰1

(1.納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心，上海 200062；2.國家可信嵌入式軟件工程技術研究中心,上海 200062)

為滿足汽車傳感器集成化、智能化的需要，解決接觸式扭矩傳感器的不足之處，設計了一種非接觸式扭矩傳感器，為汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)提供扭矩信號。扭矩測量采用差角的方法，利用巨磁阻角度傳感器芯片獲得角度數(shù)據(jù)，微控制器對角度數(shù)據(jù)計算處理后通過控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network，CAN)接口輸出扭矩信號。該傳感器具有無機械磨損、線性度高、性能穩(wěn)定等特點，并且可以方便地實現(xiàn)絕對角度測量的功能。實驗測量表明，該傳感器表現(xiàn)出良好的線性特性。

非接觸式；扭矩傳感器；轉(zhuǎn)角差法；角度傳感器；冗余設計

0 引言

扭矩傳感器作為汽車EPS(電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))中的信號源，其性能優(yōu)劣會直接影響ECU(電子控制單元)的運算結(jié)果，進而會影響助力電機的響應準確性，因此其在EPS當中扮演著十分重要的角色。目前，電位計型、接觸式傳感器仍在廣泛使用[1]。這種傳感器結(jié)構復雜、容易磨損、穩(wěn)定性較差[2]。基于磁性測量原理的非接觸式扭矩傳感器主要有霍爾式、電磁感應式和磁阻/巨磁阻式等[3-4],除此之外，也有基于磁彈性效應的扭矩傳感器[5]。為更好地滿足汽車EPS系統(tǒng)對扭矩信號的需求，研究了基于轉(zhuǎn)角差法獲取扭矩的方法，采用非接觸式GMR角度測量芯片，設計了傳感器系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。該傳感器具有安裝方便、無需機械調(diào)零、無機械磨損、性能穩(wěn)定等特點。未來汽車傳感器的發(fā)展趨勢是集成化設計以及可以通過汽車網(wǎng)絡如CAN進行通訊[6]，所研究和設計的扭矩傳感器可以方便的集成到復合式傳感器當中，實現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)角同時輸出的功能，并通過CAN接口接入汽車網(wǎng)絡當中。

1 測量原理

在轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向輸入軸和轉(zhuǎn)向輸出軸之間加一扭桿，將轉(zhuǎn)向盤的扭矩傳遞到扭桿上，通過測量扭桿的扭矩來獲得轉(zhuǎn)向盤的扭矩。由力學知識可得扭桿的扭矩T的計算公式：

(1)

式中:G為扭桿的剪切彈性模量；Ip為扭桿的極慣性矩;l為扭桿的長度;θ為扭桿的扭轉(zhuǎn)角。

G、Ip、l為常數(shù)，可知扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比。

從安全性的角度考慮，對扭矩測量加入冗余設計[8]，同時測量并輸出2路扭矩數(shù)據(jù)。

2 扭矩計算推導

如圖1所示，扭桿上端和下端各連接有1個大齒輪，2個大齒輪的參數(shù)一致，齒數(shù)為n。2個大齒輪均與2個小齒輪嚙合，小齒輪齒數(shù)分別為n1和n2。齒數(shù)為n1的一組齒輪和齒數(shù)為n2的一組齒輪各自獨立測量角度和計算扭矩數(shù)據(jù)。

圖1 測量原理圖

齒輪1和齒輪4與大齒輪之間的傳動比N1=n/n1；齒輪2和齒輪3與大齒輪之間的傳動比N2=n/n2。設齒輪1和齒輪4的初始角度分別為φ10和φ40,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過一定角度后，齒輪1和齒輪4對應的角度變?yōu)棣?1和φ41,計算轉(zhuǎn)向盤的扭矩。

齒輪1轉(zhuǎn)過的角度為φ11-φ10+C1×360°，齒輪4轉(zhuǎn)過的角度為φ41-φ40+C4×360°。其中C1、C4為整數(shù)。扭桿實際形變的角度為兩者之和。令Δφ1=φ11-φ10，Δφ4=φ41-φ40?？紤]到齒輪1和齒輪4與大齒輪之間的傳動比。則

N1×θ=Δφ1+Δφ4+(C1+C4)×360°

(2)

扭角的測量范圍設定為-8°～8°，當N1<45時，齒輪1與齒輪4之間的角度差值不超過360°，故此時C1+C4的可能取值為-1，0，1。

關于C1+C4取值的判斷，N1·θ的取值為-8°×N1～8°×N1，所以當Δφ1+Δφ4<-8°×N1時，C1+C4取1，當Δφ1+Δφ4>8°×N1時，C1+C4取-1，其他情況C1+C4取0。

3 硬件電路設計

3.1 主控制器選型

系統(tǒng)的主控制器為8位微控制器XC886，兼容標準8051處理器，工作頻率高達24 MHz，具備乘/除法運算單元，具有2個CAN節(jié)點的MultiCAN模塊[9]。

3.2 傳感器芯片選型

傳感器芯片采用基于GMR原理測量的角度傳感器芯片TLE5012B[10]，測量范圍為0～360°，輸出絕對角度值用15 bit數(shù)字信號表示[11]。

3.3 系統(tǒng)電路

系統(tǒng)框圖如圖2所示，硬件電路主要分成3個部分：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理輸出部分和數(shù)據(jù)存儲部分。數(shù)據(jù)采集部分主要由TLE5012B傳感器芯片完成。數(shù)據(jù)處理和輸出部分由微控制器XC886完成。數(shù)據(jù)存儲部分為外接的一片74LC02 E2PROM芯片，負責存儲四顆磁鋼的初始磁場方向。在初值測量階段，四顆傳感器芯片分別測量四顆磁鋼的磁場方向，并將數(shù)據(jù)通過SSC(同步串行通信)接口傳輸給XC886。XC886使用GPIO(通用輸入/輸出)接口模擬I2C接口,將接收的數(shù)據(jù)處理后存入E2PROM[12]。

圖2 硬件框圖

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示，軟件程序主要分為2個部分：初值存儲部分和當前值測量部分。當引腳P4_0為高電平時，運行初值測量與存儲程序，P4_0為低電平時，運行當前值測量與扭矩計算程序。四顆角度傳感器芯片通過總線的方式與XC886相連，XC886采用動態(tài)掃描的方式依次獲取4個角度傳感器的數(shù)據(jù)。在初值存儲部分，只需將4組數(shù)據(jù)存入E2PROM即可；在當前值測量部分，將獲得的最新角度數(shù)據(jù)與讀取的初始角度數(shù)據(jù)進行計算，獲得扭矩數(shù)據(jù)，并通過CAN接口輸出。

圖3 軟件框圖

5 結(jié)果與討論

裝配好傳感器后，設置好零位，開始扭轉(zhuǎn)角的測量。使用步進電機控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，設置步進電機步長為0.9°，測量每一步轉(zhuǎn)動后的扭轉(zhuǎn)角度值。廠方提供的扭桿K值為2 N·m/(°)，與扭角值相乘可得扭矩值。根據(jù)傳感器主要靜態(tài)性能指標計算方法GBT_18459—2001，采用實際總平均特性的最佳擬合直線方法對測量數(shù)據(jù)進行分析。

圖4、圖5為兩組齒輪同時測量的扭矩數(shù)據(jù)，分別輸出為主路扭矩信號與輔路扭矩信號，兩組數(shù)據(jù)互補。數(shù)據(jù)表明，扭矩傳感器線性度很好。齒輪嚙合波動是造成非線性的最主要因素，最大非線性度約為0.787%，重復性誤差為0.110%；。通過降低傳動過程中的齒輪嚙合波動，可以進一步提高傳感器的線性度。

圖4 主路扭矩信號

圖5 輔路扭矩信號

傳感器分辨率測量。設置步進電機轉(zhuǎn)動范圍為±9°，在轉(zhuǎn)動過程中，傳感器系統(tǒng)實時高速采集轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，然后通過CAN接口輸出角度值，輸入變化量以最小采集時間間隔為單位，圖6為從扭轉(zhuǎn)角8.1°～-8.1°轉(zhuǎn)動時所連續(xù)采集獲得的數(shù)據(jù)。橫坐標為測量點，測量點之間間隔0.005 2°，縱坐標為CAN輸出數(shù)據(jù)的十進制格式，間隔為0.011 0°。圖6中的插圖為整個過程中靈敏度最低的一段，在步進電機轉(zhuǎn)動0.062 4°時輸出才發(fā)生變化，可以得出分辨率為0.062 4°。

圖6 連續(xù)采集扭矩輸出數(shù)據(jù)

通過角度傳感器的分辨率性能以及齒輪傳動比計算得到扭矩傳感器的理論分辨率為0.001 47°。實際測得的分辨率遠大于此值，其原因主要有：一是齒輪嚙合度不夠，大齒輪轉(zhuǎn)動時小齒輪未能即時傳動；二是步進電機具有最小步長，其實際轉(zhuǎn)動角度是離散的，整體轉(zhuǎn)動近似是勻速運動，但如果細分到一個很小的時間間隔(小于最小步長的時間)，其轉(zhuǎn)動過程并非勻速，這也會對數(shù)據(jù)測量造成一定不良影響。因此，進一步從機械和測量裝置進行改善，可以提高傳感器的分辨率。

6 結(jié)束語

設計了一種非接觸式扭矩傳感器，采用冗余設計，結(jié)構簡單，裝配方便。通過實驗測量了傳感器的基本特性，兩路扭矩信號具有良好的線性度，最大非線性度為0.787%，重復性誤差為0.110%；連續(xù)采樣測得分辨率為0.062 4°，低于理論分辨率，而提高分辨率，需要進一步改善所用機械結(jié)構和測量裝置。該傳感器采用CAN接口與汽車局域網(wǎng)通訊，且可以方便實現(xiàn)扭矩和絕對轉(zhuǎn)角同時輸出的功能，符合汽車傳感器智能化和集成化的發(fā)展趨勢。

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《儀表技術與傳感器》雜志

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Research and Design of Torque Sensor Based on Angle Difference Method

PANG Jin-xin1,PAN Hai-lin1,2,ZHANG Qing2,WANG Jiang-tao2,TANG Guang-de2,ZHAO Zhen-jie1

(1. Ministry of Education Nanophotonics& Advanced Instrument Engineering Research Center,Shanghai 200062,China;2.National Trusted Embedded Software Engineering Technology Research Center,Shanghai 200062,China)

In order to meet the integration and intelligence needs of automotive sensors and solve the disadvantage of contact torque sensors,a contactless torque sensor was developed，thus providing torque signals for automotive electric power steering system. Torque measurement was carried out by the method of steering angle difference,and angle values were measured by the GMR Angle Sensors,then the the torque value was figured out by micro controller unit and put out through Controller Area Network interface. The sensors could easily realize the function of measuring absolute angle values. The test result shows that the designed sensor has good linear properties.

contactless;torque sensor;angle difference;angle sensor;redundancy design

2014-11-20 收修改稿日期：2015-07-20

TP212

A

1002-1841(2015)10-0013-03

逄金鑫(1990—)，碩士研究生，主要研究方向：汽車傳感器。E-mail:pangjinxin@gmail.com 趙振杰(1970—)，教授，主要研究方向：磁敏材料及應用。 E-mail：zjzhao@phy.ecnu.edu.cn