吳志敏, 萬茂松

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

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電動助力轉(zhuǎn)向扭矩傳感器設(shè)計*

吳志敏, 萬茂松

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

摘要:扭矩傳感器作為電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)的傳感元件，對轉(zhuǎn)向的精確性至關(guān)重要。介紹了一種EPS扭矩傳感器設(shè)計，主要通過霍爾元件采集磁通量的改變轉(zhuǎn)換為電壓，此電壓值傳送到控制器，控制器根據(jù)此電壓值轉(zhuǎn)換為扭矩值并依此計算出助力值，此外，還可以根據(jù)采集到的扭矩信號達到診斷功能。

關(guān)鍵詞:扭矩傳感器； 電動助力轉(zhuǎn)向； 磁感應(yīng)強度

0引言

汽車電動助力轉(zhuǎn)向(electrical power steering,EPS)系統(tǒng)已成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，汽車EPS直接由電機提供助力，省去液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶等裝置，既節(jié)省能量又保護環(huán)境，而且,裝配靈活、調(diào)整簡單、高效率、路感好以及回正性強，在多種狀況下都能提供助力。EPS主要是依靠扭矩傳感器傳來的信號來計算出所需要的助力值[1,2]，因此,扭矩傳感器信號對電機輸出扭矩值起決定性作用，如何準(zhǔn)確地將方向盤扭矩信號傳送到控制器中變得尤為重要。

本文提出了一種EPS扭矩傳感器設(shè)計，能有效地反映方向盤力矩的大小。

1EPS結(jié)構(gòu)與原理

EPS主要由轉(zhuǎn)向傳感器、車速傳感器、機械轉(zhuǎn)向助力、助力電機以及控制器組成。駕駛員在操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩[3]，從而產(chǎn)生輔助動力，如圖1所示。汽車不轉(zhuǎn)向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，電動機不工作。

圖1　EPS轉(zhuǎn)向控制圖Fig 1　Steering control diagram of EPS

2EPS扭矩傳感器結(jié)構(gòu)與原理

方向盤扭矩傳感器主要作用是向EPS助力算法提供代表輸入軸扭矩的信號。該扭矩傳感器主要由上轉(zhuǎn)子、下轉(zhuǎn)子、扭桿、傳感器支架和定位墊圈組成，如圖2。

圖2　扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Structure diagram of torque sensor

2.1上下轉(zhuǎn)子與傳感器支架

上轉(zhuǎn)子由永磁鐵組成，固定在上軸上，主要是提供磁場。下轉(zhuǎn)子由磁環(huán)和注塑在一起的上下兩片導(dǎo)磁鋼組成，固定在下軸上，每個導(dǎo)磁鋼各有6個導(dǎo)磁頭，主要功能通過上導(dǎo)磁鋼的導(dǎo)磁頭把相同磁極的磁力線導(dǎo)到同一片導(dǎo)磁鋼上(有6對磁極等角度分布在360°內(nèi)，作用等同于1對導(dǎo)磁頭對應(yīng)1對磁極的狀況)，如圖3所示。

圖3　上下轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Structure diagram of upper rotor and lower rotor

上轉(zhuǎn)子壓入下轉(zhuǎn)子中，每對磁極的中間位置對應(yīng)一個導(dǎo)磁鋼探頭，當(dāng)沒有手力矩時，上下導(dǎo)磁鋼之間磁感應(yīng)強度為零，如圖4所示，扭矩傳感器T1,T2未檢測到磁感應(yīng)強度的變化，故霍爾元件沒有電壓輸出。

圖4　無手力矩時磁極分布圖Fig 4　Pole distribution map without handwheel torque

當(dāng)向右轉(zhuǎn)動方向盤時，經(jīng)過上導(dǎo)磁鋼的N極磁力線會增多，經(jīng)過下導(dǎo)磁鋼的S極磁力線會增多，如圖5所示，T1，T2會感知到磁感應(yīng)強度的變化。

圖5　右打方向盤時磁極分布圖Fig 5　Pole distribution map while turningsteeling wheel to the right

當(dāng)向左轉(zhuǎn)動方向盤時，經(jīng)過上導(dǎo)磁鋼的S極磁力線會增多，而經(jīng)過下導(dǎo)磁鋼的N極磁力線會相應(yīng)增多。如圖6所示，T1，T2會感知到相應(yīng)變化。

圖6　左打方向盤時磁極分布圖Fig 6　Pole distribution map while turningsteeling wheel to the left

用T1-T2所得到的電壓值，這個值被送到控制器。通過控制器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的扭矩值，控制器根據(jù)它輸入扭矩來判斷需要提供多少助力，再給馬達提供電壓來實現(xiàn)順逆時針的助力。而用T1與T2相加所得的信號作為診斷信號，用于檢測T1或者T2的信號丟失，此信號將一直處于±5 V公差之間，如圖7所示為理想狀況的T1，T2狀態(tài)。

圖7　T1，T2信號Fig 7　Signal of T1 and T2

EPS扭矩傳感器主要檢測加在方向盤的力矩，然后傳遞給控制系統(tǒng)以計算所需的助力。扭矩傳感器是一種非接觸式角位移傳感器，它將輸出通過扭桿裝置連接在一起的上下軸之間的相對變化角，打方向盤時，手力矩驅(qū)動上下軸之間有相對轉(zhuǎn)角，位置量為扭桿剛度。上下軸的相對位移對應(yīng)的就是上下轉(zhuǎn)子的相對位移，當(dāng)沒有相對位移時，下轉(zhuǎn)子的上下導(dǎo)磁鋼的探頭都是處在S,N磁極中間位置，即磁感應(yīng)強度零位；當(dāng)有相對位移時，會引起上導(dǎo)磁鋼探頭接近S極，下導(dǎo)磁鋼接近N極。磁力線N極沿著上導(dǎo)磁鋼探頭進入上導(dǎo)磁鋼，再從上導(dǎo)磁鋼進入下導(dǎo)磁鋼，然后從下導(dǎo)磁鋼回到S極，形成這樣一個封閉回路。處于上下導(dǎo)磁鋼之間的霍爾元件此時監(jiān)測到磁感強度的變化。

傳感器支架的作用是將霍爾元件正確固定在預(yù)定位置上，以30°或者150°分布，如圖8所示。扭桿裝置主要是將方向盤側(cè)傳遞過來的扭矩轉(zhuǎn)換成相對角度信號而被扭矩傳感器檢測到。限位線圈主要是將下轉(zhuǎn)子保持在安裝位置。由于上下轉(zhuǎn)子與下軸是塑料花鍵壓接在下軸剛體上，下轉(zhuǎn)子花鍵過盈塑料變形后容易向上滑脫。

圖8　傳感器支架結(jié)構(gòu)圖Fig 8　Structure diagram of sensor holder

2.2霍爾元件

采用線性霍爾元件，利用霍爾原理，隨著磁場變化，輸出電壓與垂直于元件磁場矢量呈線性正比變化[4]。不僅可以放大霍爾電壓，并且可以補償溫度和內(nèi)部電阻變化對于輸出的影響[5,6]。如圖9所示為霍爾元件基本電路圖。

圖9　基本傳感器線路圖Fig 9　Basic sensor wiring diagram

2.3扭桿裝置

輸入上軸與輸出軸之間主要依靠一種柔性材料鏈接，即為扭桿裝置，如圖10所示。扭桿有一定的扭轉(zhuǎn)剛度和磁滯特性。扭桿細(xì)齒形漸開線花鍵端部結(jié)構(gòu)外直徑d0=(1.15～1.25)d，長度l0=(0.5～0.7)d,為了避免過大的應(yīng)力集中，應(yīng)采用過度圓角。扭桿的有效長度為l,d為扭桿有效長度直徑。

圖10　扭桿結(jié)構(gòu)圖Fig 10　Structure diagram of torsion bar

扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度k是扭桿的重要物理量，當(dāng)其受到扭矩T時，其扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力τ和變形角φ分別為

(1)

(2)

式中Ip為慣性矩，Zi抗扭截面系數(shù)。

其扭轉(zhuǎn)剛度為

(3)

若扭桿材料為SAEJ404,Grade4142號鋼，但其最小抗拉強度為1 032MPa，硬度為34—40HRC，屈服強度為896MPa。

3實驗測試

進行了轉(zhuǎn)向扭矩功能實驗測試，圖11所示為扭轉(zhuǎn)角與扭矩關(guān)系曲線，其曲線的斜率k值為扭轉(zhuǎn)剛度。

圖11　扭轉(zhuǎn)角與扭矩關(guān)系曲線Fig 11　Curve of relationship between torsion angle and torque

4結(jié)論

EPS扭矩傳感器有很多種，光電式雖然響應(yīng)速度快，測量精度高，但是對于光碼盤的設(shè)計要求特別高[7]。電位計式雖然成本較低，但是測量精度不高，使用壽命短。采用此種非接觸式扭矩傳感器不僅精度高，受環(huán)境影響小，而且符合現(xiàn)今發(fā)展趨勢[8]。采用該扭矩傳感器的設(shè)計，不僅可以很好地監(jiān)測扭矩信號，而且具有自診斷功能，更能夠高效地反映EPS的狀態(tài)，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非常有效。

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Design of torque sensor for EPS*

WU Zhi-min, WAN Mao-song

(College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

Abstract:As sensing component of electrical power steering(EPS), torque sensor is very important for accuracy of steering.A design of EPS torque sensor is introduced,which collects flux change and converts it into voltage through Hall component,then the voltage value is sent to controller,then converted torque value,calculate power value according to the value converted by the voltage,besides diagnostic function can be achieved by torque signals.

Key words:torque sensor;electrical power steering(EPS);magnetic induction intensity

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0099—03

收稿日期：2015—05—29

*基金項目：江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX—0886)

中圖分類號:TP 212.1

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0099—03

作者簡介:

吳志敏(1991-),江蘇高郵人，碩士研究生，主要研究方向為汽車電子控制技術(shù)。