基于巨磁電阻的轉向傳感器的研究

李 寅

重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074

0 引言

自從1988年法國的費爾發現巨磁電阻效應（簡稱GMR）以來，該項技術迅速的發展，僅用了6年的時間就走出了實驗室。1994年，IBM公司成功的將它應用在了高速度的讀寫磁頭上，把記錄密度提高了十幾倍。而后幾年，巨磁電阻在磁場、轉速、轉角等方面的應用也得到了飛速的發展。

目前，在EPS電子控制技術當中，轉矩、轉角傳感器是保證系統穩定、良好工作的重要部件。本文從傳感器的基本原理、機械結構的理論計算和電路硬件幾個方面，探討了基于巨磁電阻在轉矩、轉角傳感器中的應用。

大體上，可以將EPS上的傳感器分為：接觸式和非接觸式兩大類。接觸式傳感器工作原理簡單，成本低，但由于觸點易損耗，測量精度差，將逐步被非接觸式傳感器所淘汰。隨磁場變化電阻值而變化的巨磁電阻，可以實現非接觸工作，有較好的應用前景。

1 基本測量原理

如圖1所示，轉向軸分為上下兩端，通過一根彈性扭桿相連。方向盤與轉向軸上端剛性連接，轉向盤轉過的角度即是轉向軸上端的角度，而轉向軸下端與轉向器相連，即輸出軸。齒輪1通過主動齒輪與上端相連，齒輪2與下端的輸出軸相連。

由材料力學可以知道

式中，?為扭桿扭角； T為扭桿扭矩；Ip為扭桿截面極慣性矩；G為扭桿材料剪切模量。

通過齒輪傳動，扭矩的測量轉化為齒輪1、齒輪2轉角差的測量，方向盤轉角測量通過齒輪1 與齒輪3的轉角差可以實現。

齒輪1、2、3上分別裝有磁鐵，通過齒輪的旋轉來改變磁場；中間為電路版，選用3塊英飛凌巨磁電阻芯片TLE5012、汽車級單片機對信號進行處理。

這種方法將轉矩、轉角傳感器集成在了一起，與目前國內使用的EPS系統中多采集了轉角信號，有利于ECU對于主動回正的控制，并且避免了貼應變片工藝難、電路復雜，繞線等問題，其結構簡單，實現了智能化處理，是未來EPS轉向傳感器的發展方向。

2 理論計算

英飛凌的TLE5012角度測量芯片的測量角度為0—360,而一般的方向盤的轉角范圍為-540-540，所以存在對方向盤圈數問題的處理。從理論計算可以知道，將齒輪1、2、3的轉角差控制在一定的范圍即可，現分析如下：

設齒輪的初始位置分別為α01、α02α03，方向盤轉動θ后，齒輪的位置分別為α1、α2α3，齒輪1、2、3的傳動比分別為n1、n2n3，轉動圈數為C1、C2C3，則對于轉矩，可以列等式：

令Δθ=n2?，n1=n2，Δα0=α01?α02，Δα=α1?α2，ΔC=C1?C2將上式相減可以得到：Δθ=Δα0?Δα?ΔC×360+Δn×θ

當?1 80＜Δθ＜180，即0＜Δθ+ 180＜360時，聯合上式可以得到：

所以扭桿的扭角可以求出：

最后由材料力學可以求出轉矩。

扭角和轉矩是線性關系，可以直接用扭角表示扭矩。同樣的方法可以證明只要齒輪1、3的轉角差只要在（-180，180），就可以求出方向盤的轉角。

3 硬件電路

測量電路的主要任務是：MCU從三個轉角芯片TLE5012讀取數據，加以計算修正，通過CAN口將信號輸送給ECU。因此電路設計應該以MCU為核心，包括了角度傳感器芯片模塊，電源管理模塊、JTAG接口、串行通訊接口、CAN接口。

MCU具有SPI和CAN口，具備了對數據讀取、計算、輸出、對整個系統進行監控的功能；角度傳感器芯片模塊是就是英飛凌的TLE5012芯片，可以測量0-360的轉角，是本方案的關鍵部件；CAN可以已很好的滿足系統對于實時性的要求；JTAG的設計可以實現單片機的在線編寫、調試、以及燒制，省卻了專門的編輯器。

4 結論

本文對于EPS用轉矩，轉角一體集成的傳感器的設計提出了一種整體結構方案，并從理論上推導出了詳細的計算公式，搭建了基本的硬件框架。與傳統的轉向傳感器相比有以下有點：

1）實現了轉角、轉矩傳感器的一體化，縮小了傳感器的尺寸，簡化了電路的設計；

2）由于采用了TLE5012芯片，實現了傳感器的非接觸測量，可以使傳感器的使用壽命大大提高；

3）嵌入了MCU，傳感器實現了智能工作，工作的可靠性大大提高。

但這種傳感器如果要進入真正的實現還有以下的工作需要進行：

（1）嵌入式的智能傳感器需要通過軟件寫入程序來實現；

（2）需要對整個傳感器進行各項性能的試驗；

（3）由于TLE5012價格昂貴，需要對整個傳感器的成本進行控制。

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