電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述

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1、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述 　　摘 要：扭矩傳感器是汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到EPS系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文介紹了目前具有代表性的幾種扭矩傳感器，同時(shí)預(yù)測(cè)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。 　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；扭矩傳感器；電位計(jì)式；霍爾式；電感耦合式；光電式 　　1 概述 　　隨著人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視以及汽車(chē)電子的迅猛發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）這個(gè)集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的產(chǎn)品正越來(lái)越受到汽車(chē)廠(chǎng)商的重視。EPS與技術(shù)成熟的HPS相比，市場(chǎng)份額已初

2、具規(guī)模。目前全球汽車(chē)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，尤其是在中國(guó)市場(chǎng)。汽車(chē)電子能夠極大提升汽車(chē)性能，多數(shù)汽車(chē)部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子化。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車(chē)的重要組成部件，電子化也必將成為今后的必然趨勢(shì)。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，EPS系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展。國(guó)家發(fā)展改革委新修訂的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》于2011年6月1日起開(kāi)始實(shí)施。與上一版（2005年本）相比，新目錄在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)部分做了較大調(diào)整。其中，汽車(chē)業(yè)的政策優(yōu)待程度“鼓勵(lì)類(lèi)”中新增加了電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這表明未來(lái)EPS將得到國(guó)家相關(guān)政策的大力扶持。[1] 　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通過(guò)扭矩傳感器探測(cè)司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤(pán)產(chǎn)生

3、的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元，再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。 　　2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器分類(lèi) 　　按傳感器的敏感元件來(lái)分類(lèi)，扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。其中接觸式扭矩傳感器應(yīng)用較廣泛的主要有兩種，一種是新躍儀表廠(chǎng)生產(chǎn)的懸臂梁式傳感器，一種是美國(guó)BI公司生產(chǎn)的雙圓盤(pán)式傳感器。非接觸式傳感器主要有基于MMT公司技術(shù)的霍爾式傳感器，代表性的公司有BOSCH公司、LG公司、BI公司、Val

4、eo公司，另外還有Hella公司設(shè)計(jì)的電感耦合式傳感器，Methode electronics公司設(shè)計(jì)的電容式傳感器，Lucas公司設(shè)計(jì)的光電式傳感器。 　　接觸式傳感器容易受溫度和磨損的影響而產(chǎn)生信號(hào)漂移，使用一段時(shí)間后傳感器的輸出性能會(huì)下降，還容易產(chǎn)生噪聲問(wèn)題。但接觸式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，因此在EPS系統(tǒng)中仍然被廣泛使用。非接觸式傳感器具有無(wú)磨損、無(wú)噪聲、耐久性可靠性高、遲滯小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)于接觸式傳感器來(lái)說(shuō)價(jià)格要高一些，在國(guó)內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用，其批量供貨情況還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前世界主流的EPS供應(yīng)商的產(chǎn)品中配套的都是非接觸式扭矩傳感器。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，非接觸式的扭矩

5、傳感器必將取代接觸式的扭矩傳感器。目前非接觸式的國(guó)產(chǎn)傳感器還沒(méi)有能夠批量供貨的，對(duì)于國(guó)內(nèi)各傳感器廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)盡早推出這種形式的傳感器是一個(gè)機(jī)遇，也可以為擺脫我國(guó)多年來(lái)汽車(chē)電子產(chǎn)品“空心化”局面，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)一份力量。 　　按傳感器的功能來(lái)分類(lèi)，可以分為只輸出扭矩信號(hào)的傳感器（Torque Only Sensor，TOS）和扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)角信號(hào)集成的傳感器（Torque Angle Sensor，TAS）。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的位置。轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)于回正和阻尼邏輯的開(kāi)發(fā)十分重要，也可以供主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)，車(chē)輛穩(wěn)定系統(tǒng)等控制器使用。 　　選用TAS還

6、是TOS需要根據(jù)車(chē)輛的整體策略，以及整車(chē)廠(chǎng)對(duì)EPS的性能要求，在性能和價(jià)格之間做出權(quán)衡。如果對(duì)EPS的主動(dòng)回正和阻尼控制性能要求不是很高，則選用TOS即可，可以通過(guò)回正補(bǔ)償、回正力矩估計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行回正控制。如果整車(chē)廠(chǎng)對(duì)EPS的主動(dòng)回正和阻尼控制性能要求較高，則必須要有轉(zhuǎn)角信號(hào)，轉(zhuǎn)角信號(hào)除了可以從集成了轉(zhuǎn)角信號(hào)的扭矩傳感器中獲得外，如果車(chē)輛中有電子穩(wěn)定程序（Electronic Stability Program，ESP），并且已經(jīng)有了轉(zhuǎn)向角度傳感器（Steering Angle Sensor，SAS），則轉(zhuǎn)角信號(hào)也可以從SAS獲得。 　　正是因?yàn)門(mén)AS和TOS的需求都存在

7、，所以目前很多傳感器供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)考慮模塊化設(shè)計(jì)，即TAS是在TOS的基礎(chǔ)上增加角度檢測(cè)模塊，其他零件兩款傳感器可以共用。這樣盡可能的實(shí)現(xiàn)了零部件的通用花，可以有效的降低產(chǎn)品成本。 　　3 各類(lèi)型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器介紹 　　（1） 電位計(jì)式，該類(lèi)型傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。通過(guò)電刷在碳膜電阻上位置的改變來(lái)輸出不同的電壓值。其缺點(diǎn)在于每一次使用的過(guò)程中都會(huì)導(dǎo)致電刷和碳膜電阻的磨損，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用之后會(huì)降低精度乃至失效。在使用路況惡劣的條件下，更會(huì)加速傳感器的損壞，尤其在有較大振動(dòng)的情況下，極端條件下會(huì)出現(xiàn)電刷與碳膜電阻脫開(kāi)導(dǎo)致傳感器無(wú)信號(hào)輸

8、出的情況。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。代表性的產(chǎn)品為新躍儀表廠(chǎng)和美國(guó)BI公司生產(chǎn)的扭矩傳感器。電位計(jì)式扭矩傳感器輸出模擬信號(hào)，在設(shè)計(jì)ECU上的接口電路時(shí)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化。 　?。?） 霍爾式，該類(lèi)型傳感器應(yīng)用霍爾芯片測(cè)出與輸入、輸出軸相對(duì)角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由調(diào)制電流信號(hào)的占空比來(lái)表示。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示，[2] 　　a） 轉(zhuǎn)子為磁性材料，上面有多對(duì)磁極。與EPS中的輸入或者輸出軸連接。 　　b） 一對(duì)定子由軟鐵磁材料制成，彼此相對(duì)布置，與EPS中的輸出或者輸入軸連接。輸出、輸入軸通過(guò)扭桿連接在一起。 　　c） 一片或者兩片（冗余設(shè)計(jì)）霍爾芯

9、片與傳感器殼體相連，安裝在定子之間的測(cè)試槽中。 　　該類(lèi)傳感器目前在國(guó)外已成為EPS用扭矩傳感器的主流產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)。但是最先發(fā)明這款傳感器的MMT公司已經(jīng)率先申請(qǐng)了一系列的相關(guān)專(zhuān)利，要生產(chǎn)霍爾原理的扭矩傳感器首先需要支付一筆高昂的費(fèi)用給MMT公司來(lái)獲得專(zhuān)利使用許可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)利使用許可來(lái)獲得這一技術(shù)的使用權(quán)的。只有BOSCH公司通過(guò)將磁性材料由MMT公司的軸向布置改為徑向布置成功規(guī)避了MMT公司的專(zhuān)利保護(hù)。另外，傳感器中的核心部件：轉(zhuǎn)子（磁性材料），定子（軟鐵磁材料）由于國(guó)內(nèi)材料及加工水平的限制，還沒(méi)有合格的供應(yīng)商。這是該

10、類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)廣泛使用，首先需要解決的問(wèn)題。 　　（3） 電感耦合式，同其他扭矩傳感器一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。在PCB上的定子由激勵(lì)線(xiàn)圈、3個(gè)感應(yīng)接受線(xiàn)圈和其他信號(hào)處理電子元件組成，轉(zhuǎn)子是一塊簡(jiǎn)單的沖壓金屬片。 　　激勵(lì)線(xiàn)圈中的電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子發(fā)生感應(yīng)耦合，轉(zhuǎn)子再與接受線(xiàn)圈發(fā)生二次感應(yīng)耦合，定子上的電壓幅值隨定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置而變化，信號(hào)處理單元接收線(xiàn)圈的電壓信號(hào)，進(jìn)行整流、放大并成對(duì)地將其按比例輸出。 　　（4） 光電式，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，兩個(gè)光碼盤(pán)分別與輸入、輸出軸相連，輸入、輸出軸通過(guò)扭桿連接，當(dāng)扭桿受扭矩作用時(shí)，兩光碼盤(pán)上的內(nèi)、外兩圈孔的重疊面積將

11、變化，從而光接收裝置的輸出電壓也變化，據(jù)此可以檢測(cè)出所施加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。 　　由于光電式傳感器對(duì)環(huán)境的要求比較高，對(duì)外部雜質(zhì)、粉塵等比較敏感，所以正在被霍爾式扭矩傳感器逐步替代。 　　4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 　　隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)扭矩傳感器提出了更高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)： 　　1） 集成化，隨著車(chē)輛底盤(pán)控制系統(tǒng)的發(fā)展，除需要知道轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)外，還迫切需要轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，供EPS、AFS（Active Front Wheel Steering）和ESP（Electronic Stability Program）等控

12、制器使用。[3]集轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器功能于一體的多信號(hào)傳感器成為傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的位置，轉(zhuǎn)角信號(hào)有利于EPS更好的實(shí)現(xiàn)回正控制。集成化可以更好地減少零部件數(shù)量、節(jié)省成本、節(jié)約內(nèi)部空間，使EPS系統(tǒng)內(nèi)布置更加緊湊。 　　2） 引入CAN總線(xiàn)技術(shù)，可以向其他車(chē)載電子控制單元提供信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少汽車(chē)中傳感器的數(shù)量，促進(jìn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 　　3） 可靠性、安全性更強(qiáng)，從單功能向多功能發(fā)展，如包含自補(bǔ)償、自適應(yīng)、自診斷、信息存儲(chǔ)、記憶功能等。 　　參考文獻(xiàn)： 　　1 邵麗青. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 汽車(chē)與配件. 2011-36（No.9）APA 　　2 Didier Angleviel. Development of a Contactless Hall effect torque sensor for Electric Power Steering， SAE Technical Paper Series. 2006-01-0939 　　3 余卓平，孟濤，陳慧，張立軍. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì). 汽車(chē)技術(shù).2005 第9期 　　作者簡(jiǎn)介： 　　謝程 （1984年12月――），女，浙江，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)檐?chē)用傳感器技術(shù)。