基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

舒望（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲　412001）

基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

舒望
（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲412001）

摘要：提出了一種以絕對式多圈光電編碼器為核心器件的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，重點給出該轉(zhuǎn)角傳感器的硬件和軟件實現(xiàn)方法，傳感器通過光電編碼器獲得方向盤轉(zhuǎn)動的角度，通過主控制器將編碼器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成角度值，再通過CAN總線共享給汽車其他模塊。通過實驗對比分析該傳感器具有測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；轉(zhuǎn)角傳感器；CAN總線

0　引言

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是汽車轉(zhuǎn)向系的重要組成部分，同時也是汽車ESP（Electronic Stability Pro?gram）系統(tǒng)的組成部分[1]，現(xiàn)有的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以霍爾式為主，這種類型的傳感器屬于磁敏元件，在復(fù)雜的磁場環(huán)境中容易受干擾，且這類傳感器精度不會很高，量程也比較小[2]。

本文提出了一種高精度、抗干擾能力強的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，該傳感器以絕對式多圈光電編碼器為核心，利用光電編碼器感知方向盤轉(zhuǎn)動的角度，再將光電編碼器輸出的信號送入主控制器，通過一定的算法將其轉(zhuǎn)換成角度值[3]。

1　轉(zhuǎn)角測量原理

基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器結(jié)構(gòu)及安裝方法如圖1所示，采用空心軸式的光電編碼器將其套在方向盤的轉(zhuǎn)動軸上，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器的空心軸旋轉(zhuǎn)，利用編碼器的內(nèi)部電路將旋轉(zhuǎn)的角度值以數(shù)字式輸出，再通過傳感器的內(nèi)部電路對角度值進行修正，再通過傳感器的CAN（Controller Area Network）總線輸出至汽車的EPS（Electrionic Power Shift）模塊[4]。

圖1　傳感器測量結(jié)構(gòu)示意圖

2　基于光電編碼器的轉(zhuǎn)角傳感器

基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器由主控制器、光電編碼器接口、汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口、電源四部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

在圖2所示的轉(zhuǎn)角傳感器中，光電編碼器接口與光電編碼器相連，提供與光電編碼器接口相一致的協(xié)議，將光電編碼器輸出的數(shù)字式角度值輸出至主控制器中；汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口與汽車車載網(wǎng)絡(luò)相連，在主控制器的控制下將角度值通過車載網(wǎng)絡(luò)輸出給EPS模塊；主控制是核心控制器件，控制光電編碼器接口和汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口。

圖2　轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　轉(zhuǎn)角傳感器電路設(shè)計

3.1光電編碼器接口

基于光電編碼器的轉(zhuǎn)角傳感器其角度測量的核心器件是光電編碼器，本文采用絕對式多圈光電編碼器（型號E6CP-A），該光電編碼器的輸出接口是RS485接口，傳感器直接輸出數(shù)字式的角度值，無需進行角度值的轉(zhuǎn)換。因此，光電編碼器的接口電路只需一個485協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片就能實現(xiàn)要求，該電路如圖3所示[6]。

圖3　光電編碼器接口電路

在圖3所示的光電編碼器接口電路中，P1與光電編碼器的RS485接口連接，同時為光電編碼器提供12 V的電源，U3將RS485接口轉(zhuǎn)換為RS232。

3.2汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口

傳感器測量出的角度值需要送至汽車的EPS模塊，傳感器與EPS模塊之間通過CAN總線連接，傳感器汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口電路如圖4所示。

圖4　汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口電路

在圖4所示的電路中，U2為CAN總線驅(qū)動芯片，P2與汽車的EPS模塊相連，同時由EPS模塊為傳感器提供12 V的電源。

3.3主控制器電路

傳感的控制核心是主控制器，主控制器對光電編碼器接口電路、汽車通訊網(wǎng)絡(luò)接口電路進行控制，其電路如圖5所示。

圖5　主控制器電路

圖5所示的電路中，主控制器采用PIC的單片機，該單片機具有功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，同時還自帶RS232接口和CAN總線接口，這樣極大地簡化了接口電路設(shè)計。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

在傳感器的軟件設(shè)計中重點考慮的是角度值的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)壓性，為了解決傳感器的準(zhǔn)確性可以通過多次讀取角度值通過遞推平均值的算法來實現(xiàn)，同時各事件的處理采用中斷的方式來實現(xiàn)，能有效地提高系統(tǒng)的可靠性，主程序流程如圖6所示[7]。

5　結(jié)語

本文研究的汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以絕對多圈式光電編碼器為測量核心，通過光電編碼器與方向盤轉(zhuǎn)向軸同步旋轉(zhuǎn)，光電編碼器的光柵碼盤輸出絕對式值，同時光電編碼器能旋轉(zhuǎn)多圈，因此，可以實現(xiàn)大角度的測量，從而滿足汽車方向盤旋轉(zhuǎn)多圈的要求，通過實驗傳感器的測量分辨率能夠達到1.4°左右。

圖6　主程序流程圖

參考文獻：

［1］王俊，楊勝兵，過學(xué)迅.汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)設(shè)計及算法研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2011，25（1）：19-21.

［2］朱啟林.汽車EPS轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角集成傳感器的研發(fā)［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］于曉東，胡大欣.旋轉(zhuǎn)編碼器在回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)角度測量中的應(yīng)用［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2005（2）：43-44.

［4］石煒，朱光宇.基于陀螺儀的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014，（9）：6-8.

［5］陳富安，李江江.邁銳寶等汽車用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器工作原理研究［J］.汽車實用技術(shù)，2015（4）：4-6.

［6］浦昭邦，陶衛(wèi).角度測量的光學(xué)方法［J］.光學(xué)技術(shù)，2002（2）：168-171.

［7］周良杰，趙治國。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器誤差成因與補償?shù)难芯浚跩］.儀表技術(shù)與傳感器，2013（11）：7-10.

(編輯：向飛)

Steering Wheel Angle Sensor based on Photoelectric Encoder

SHU Wang
（Hunan Automotive Engineering Vocational College，Zhuzhou412001，China）

Abstract:This paper presents a sensor of steering wheel rotation angel，taking the absolutely photoelectric encoder at the core component.The key point is to give a way to achieve the hardware and software of this rotation angle sensor.The sensor get the wheel rotation angle by the photoelectric encoder，and the MCU converts the receiving electric signal from encoder into angle values，then other moderns can share these values through CAN bus.By contrast experiments，the analysis shows the sensor advantages of high measurement accuracy，simple structure，strong ability of anti-interference.

Key words:photoelectric encoder；angle sensor；CAN Bus

作者簡介：舒望，男，1983年生，湖南株洲人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)、智能電子產(chǎn)品。已發(fā)表論文8篇。

收稿日期：2015－07－13

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.031

中圖分類號：TP23

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0114－03