邁銳寶等汽車用方向盤轉角傳感器工作原理研究

陳富安，李江江

（河南工業大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

邁銳寶等汽車用方向盤轉角傳感器工作原理研究

陳富安，李江江

（河南工業大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

汽車方向盤轉角傳感器能夠監測方向盤的轉角大小及轉動方向,是汽車安全性駕駛的核心保障器件，可為電子車身穩定系統或者電動助力系統提供精確的轉角位置信息。對其工作原理進行研究并與常見轉角傳感器工作原理進行對比，結果驗證了其工作原理的優越性和可靠度，為汽車電子差速技術的發展奠定一定的基礎。

轉角傳感器；MLX90316；槽型光電；混合測圈

CLC NO.: TP212.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-04-03

引言

目前，方向盤轉角傳感器SAS（steering wheel Angle sensor）主要有滑動電阻式、磁感應式、霍爾式和光電式等幾種[1]。而比較主流的轉角傳感器（如德國BOSCH生產的轉角傳感器LWS5）幾乎都是利用轉向柱大齒輪帶動2個嵌入小磁鐵的從動小齒輪轉動，ECU檢測到這2個從動小齒輪的轉動角度，再通過軟件程序計算出轉向柱大齒輪的絕對轉角[2]。此種SAS雖然技術成熟、準確度高、壽命長，但其價格昂貴，不是電動汽車行業的理想選擇，再加上此種SAS內部使用2個從動小齒輪，并且從動小齒輪上方都加有MLX90316轉角傳感器，從而導致結構緊湊，不利于安裝，也增加了成本。然而近期市面上以雪佛蘭邁銳寶、別克新君威、別克新君越等為代表的歐美中型車，由于性能優越，價格適宜，同時具備豪華感，所以成為了大家所熱捧的車型。與此同時出現的這三款車型都能夠使用的方向盤轉角傳感器，其型號為C68049XF25849366ANA761008A，由于價格低廉、通用性強、精度高、壽命長等優點為眾多電動汽車制造商所青睞，本文針對這三款車型均可使用的SAS進行研究，分析其工作原理并運用matlab進行了仿真驗證，說明了其優越性和可靠性。

1、方向盤轉角傳感器整體結構分析

方向盤轉角傳感器C68049XF25849366ANA761008A主要包括電路設計和機械設計兩大部分。其中電路設計部分主要包括1個角度測量芯片MLX90316、5個槽型光電傳感器SG278編碼陣列、CAN通信電路模塊、電源穩壓電路等。方向盤轉角傳感器的整體結構如圖1所示，該傳感器一般安裝在方向盤轉向管柱上。當方向盤轉動時，轉向管柱帶動主齒輪轉動，主齒輪帶動從動小齒輪轉動。而從動小齒輪中間安裝有帶有磁性的小磁鐵，當從動小齒輪轉動時，中間小磁鐵也隨著從動小齒輪轉動，從而引起小磁鐵周圍的磁場方向發生變化，小磁鐵正上方的MLX90316芯片能夠檢測到磁場的變化，并且輸出與小磁鐵轉動角度成線性關系的模擬電壓，微處理器將此模擬電壓信號經過A/D 轉換后，進入內部DSP芯片計算出轉向柱齒輪的轉動角度。

1.1 SAS的硬件構成

方向盤轉角傳感器整體硬件結構如圖2所示。

1.2 MLX90316芯片的工作原理

MLX90316是一款CMOS轉角傳感器,它運用Tria?is(三軸)霍爾技術獲取角度信息，芯片前端包括兩對相互正交的傳統平面霍爾元件和一個集磁片（IMC），檢測原理圖如圖3所示。由于MLX90316采用差分模式，垂直于芯片表面的外部磁感應強度被抵消，剩下來的平行于芯片表面的磁場B//將被分解在兩個方向上分別被測量，記為BX//和BY//。芯片中的IMC會將BX//和BY//變換為與之成正比的兩個垂直方向上的分量BX⊥和BY⊥，然后由芯片中的傳統平面霍爾元件測量這兩個垂直分量[3-4]。

在MLX90316內部，這兩對霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），通過這樣的結構可以將實際角度編碼為兩個相位差為90o的正余弦信號。感應到的這兩個正比于磁場強度的信號（Vx和Vy）將被放大、采樣、轉換為數字信號,這兩個數字信號將通過DSP處理器中的反正切函數算法來計算方向盤轉動的角度，且輸出電壓Vx，Vy與小磁鐵轉角θ之間的計算公式如下[5]：

表征當前角度值的數字信號再通過D/A轉換器變回模擬信號，最后的輸出信號可以在模擬輸出、PWM輸出以及串行數字通信（SPI）中選擇。MLX90316芯片的內部結構如圖4所示。

1.3 槽型光電傳感器工作原理

槽型光電傳感器是把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側組成槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽型光電傳感器具有抗光干擾能力強、工作頻率高、響應時間短、分辨率高等特點，即使是非常小的零部件都能夠精準地定位，甚至是快速移動的物體都可以可靠檢測[6]。本文研究的方向盤轉角傳感器采用槽型光電傳感器SG278，其外觀圖和內部工作原理圖如圖5所示。

2、SAS工作原理分析

通過上述原理的分析，由于MLX90316輸出的是當前磁場方向與芯片某一固定方向的角度，其測量的數值范圍在0o～360o(到一周后自動歸零)，但是一般汽車方向盤的轉動范圍都在±1.5圈即行程共1080o[7]。基于以上原理的分析，小齒輪的轉動圈數一定大于1080o，超出了MLX90316芯片的測量范圍，這樣就需要記錄齒輪轉動圈數，但這樣會使傳感器的結構和程序變得復雜，為避免這種問題的出現，該種SAS配用5個槽型光電傳感器（SG278）聯合MLX90316 角度傳感器來測量方向盤全部行程內的角位移，這里5個槽型光電傳感器排成120度圓弧型陣列，y1為通過光電傳感器陣列方式采集的轉角；y2為MLX90316通過自身上方磁場的變化測量出的轉角； x為轉角傳感器的實際角度。轉向管柱帶動主齒輪轉一圈，光電傳感器陣列檢測角度就是360o，則光電傳感器陣列檢測到的角度y1與實際角度x的函數關系式為：

與光電傳感器陣列相關的主齒輪有36個齒，而與MLX90316相關的從動小齒輪有20個齒，主齒輪與從動小齒輪的齒數比為9:5,即從動小齒輪每轉360°，相應的轉向柱主齒輪轉動200°，即轉角傳感器轉動的實際角度是200°，所以該信號是一個以200°為周期的周期信號，因此MLX90316測量出的轉角y2與轉角傳感器的實際角度值x之間的函數關系如下式：

例如某時刻通過光電傳感器陣列采集到的角度是y1，通過MLX90316采集到的角度是y2，將y2代入函數式（2）中可以解得x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28,x29等9個解，由于不知此刻是在第幾圈的位置，所以僅有這9個值不能確定方向盤的轉角，所以此刻需要光電傳感器SG278的配合。這時將這9個值代入到函數式（1）中可以解得9個y1的值，這9組解中必定有且只有一個x2*對應得到的y1*與主齒輪實際檢測到的轉角y1相等，那么轉角傳感器實際轉過的角度x=x2*。其中光電傳感器陣列和MLX90316傳感器分別測量的角度值y1，y2與方向盤實際轉角值x關系如圖6所示。

運用matlab軟件進行仿真，其結果表明該傳感器能夠準確測量出汽車方向盤的轉角，可以為車身電子穩定系統（Electronic Stability Program，ESP）和電動助力轉向系統（Electronic Power Steering，EPS）提供精確的方向盤位置信號。實際上光電傳感器的精度很低，即y1*與實際的y1相等也是光電傳感器檢測角度的誤差范圍內的相等。MLX90316的檢測精度相對光電傳感器的檢測精度要高的多。所以采用MLX90316計算出的x2*的值為轉角傳感器的實際轉角值，所以轉角傳感器的角度檢測精度與MLX90316的檢測精度相同，然而這足以滿足汽車方向盤轉角測量的要求。

常見的SAS構成大致為兩種：（1）三個齒輪，兩個MLX90316傳感器配合測轉角。（2）兩個齒輪，一個MLX90316傳感器，再配合掉電可記憶的存儲器（主要存儲旋轉圈數）測轉角。與常見的SAS工作原理相比，此種轉角傳感器設計方法避免了常見的SAS壽命短、價格昂貴、技術保密性強不利于開發的缺點，其優越性和可靠性顯而易見。

3、結論

目前市面上的方向盤轉角傳感器大多是進口產品，由于價格昂貴并且技術保密度高，不利于我國汽車業的發展，特別是隨著我國電動汽車時代的到來，價格適宜，精確度高，壽命長的SAS需求量越來越大，所以本文針對目前市面上比較流行的歐美中型款車中（雪佛蘭邁銳寶、別克新君威、別克新君越）可以替換使用的新型方向盤轉角傳感器進行研究，分析了其硬件電路構成及其內部主要元器件的工作原理，主要研究了該傳感器內部MLX90316芯片與槽型光電傳感器SG278之間相互配合測量方向盤轉角的原理，并進行了公式推導和matlab驗證，結果表明此種方向盤轉角傳感器具有高的優越性和可靠度。此研究也為電動汽車中電子差速器的研究奠定了一定基礎。

[1]楊財，周艷霞.方向盤轉角傳感器研究進展［J］.傳感器與微系統, 2007，26（11）：1-4.

[2]戴望軍,石廣林,熊松林,尹樂軍,姜友清.基于MC9S08DZ60汽車方向盤轉角傳感器的開發[J]. 湖北汽車工業學院學報.2013(02).

[3]印友軍.基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器的研究與應用［D］.上海：上海交通大學，2012：27-29.

[4]Microelectronic Integrated Systems.MLX90316 Rotary Position Sensor IC [R].[S.1.]: Melexis,2007.

[5]賴宗聲,蔡彥,鄭學軍,賀德洪,鄭筱莉.一種新型磁敏集成角度傳感器及其測量系統[J].傳感器技術.2001(01).

[6]顏曉河,董玲嬌,蘇紹興.光電傳感器的發展及其應用[J].電子工業專用設備.2006(01).

[7]李浩,徐衍亮.電動汽車方向盤絕對角位置傳感器的研究［J］.傳感器與微系統，2011，30（3）：32-34.

Study on the working principle of the MALIBU car and so on with a steering wheel Angle sensor

Chen Fuan, Li Jiangjiang
( Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450001 )

Steering wheel Angle sensor can monitor the size of the steering wheel Angle and the rotation direction. It is the core of the car driving safety protection devices. For electronic stability system or the electric power system provides the accurate location information. Study on its working principle and compare with common Angle sensor working principle, its working principle was verified the advantages of reliability, for the development of automobile electronic differential technology lay a certain foundation.

SAS; MLX90316; Trough type photoelectric; Mix measuring circle

TP212.6

A

1671-7988(2015)04-04-03

陳富安，就職于河南工業大學。