電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述 摘 要：扭矩傳感器是汽車電動助力轉(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，同時預測了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；扭矩傳感器；電位計式；霍爾式；電感耦合式；光電式 1 概述 隨著人們對環(huán)保問題的日益重視以及汽車電子的迅猛發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）這個集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的產(chǎn)品正越來越受到汽車廠商的重視。EPS與技術(shù)成熟的HPS相比，市場份額已初具規(guī)模。目前全球汽車工業(yè)發(fā)展勢頭良好，尤其是在中國市場。汽車電子能夠極大提升汽車性能，多數(shù)汽車部件已經(jīng)實現(xiàn)了電子化。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的重要組成部件，電子化也必將成為今后的必然趨勢。目前，在全世界汽車行業(yè)中，EPS系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長速度發(fā)展。國家發(fā)展改革委新修訂的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2011年本）于2011年6月1日起開始實施。與上一版（2005年本）相比，新目錄在汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)部分做了較大調(diào)整。其中，汽車業(yè)的政策優(yōu)待程度“鼓勵類”中新增加了電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這表明未來EPS將得到國家相關(guān)政策的大力扶持。1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通過扭矩傳感器探測司機在轉(zhuǎn)向操作時方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入控制單元，再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動電動機工作，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。 2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器分類 按傳感器的敏感元件來分類，扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式扭矩傳感器應(yīng)用較廣泛的主要有兩種，一種是新躍儀表廠生產(chǎn)的懸臂梁式傳感器，一種是美國BI公司生產(chǎn)的雙圓盤式傳感器。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、Valeo公司，另外還有Hella公司設(shè)計的電感耦合式傳感器，Methode electronics公司設(shè)計的電容式傳感器，Lucas公司設(shè)計的光電式傳感器。 接觸式傳感器容易受溫度和磨損的影響而產(chǎn)生信號漂移，使用一段時間后傳感器的輸出性能會下降，還容易產(chǎn)生噪聲問題。但接觸式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，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磨損、無噪聲、耐久性可靠性高、遲滯小、精度高等優(yōu)點。但相對于接觸式傳感器來說價格要高一些，在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用，其批量供貨情況還有待進一步驗證。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，從長遠來看，非接觸式的扭矩傳感器必將取代接觸式的扭矩傳感器。目前非接觸式的國產(chǎn)傳感器還沒有能夠批量供貨的，對于國內(nèi)各傳感器廠商來說盡早推出這種形式的傳感器是一個機遇，也可以為擺脫我國多年來汽車電子產(chǎn)品“空心化”局面，拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻一份力量。 按傳感器的功能來分類，可以分為只輸出扭矩信號的傳感器（Torque Only Sensor，TOS）和扭矩信號和轉(zhuǎn)角信號集成的傳感器（Torque Angle Sensor，TAS）。轉(zhuǎn)角傳感器用于實時檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置。轉(zhuǎn)角信號對于回正和阻尼邏輯的開發(fā)十分重要，也可以供主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，自動泊車系統(tǒng)，車輛穩(wěn)定系統(tǒng)等控制器使用。 選用TAS還是TOS需要根據(jù)車輛的整體策略，以及整車廠對EPS的性能要求，在性能和價格之間做出權(quán)衡。如果對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求不是很高，則選用TOS即可，可以通過回正補償、回正力矩估計、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方法進行回正控制。如果整車廠對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求較高，則必須要有轉(zhuǎn)角信號，轉(zhuǎn)角信號除了可以從集成了轉(zhuǎn)角信號的扭矩傳感器中獲得外，如果車輛中有電子穩(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)角信號也可以從SAS獲得。 正是因為TAS和TOS的需求都存在，所以目前很多傳感器供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計的時候都會考慮模塊化設(shè)計，即TAS是在TOS的基礎(chǔ)上增加角度檢測模塊，其他零件兩款傳感器可以共用。這樣盡可能的實現(xiàn)了零部件的通用花，可以有效的降低產(chǎn)品成本。 3 各類型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器介紹 （1） 電位計式，該類型傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。通過電刷在碳膜電阻上位置的改變來輸出不同的電壓值。其缺點在于每一次使用的過程中都會導致電刷和碳膜電阻的磨損，經(jīng)過長時間的使用之后會降低精度乃至失效。在使用路況惡劣的條件下，更會加速傳感器的損壞，尤其在有較大振動的情況下，極端條件下會出現(xiàn)電刷與碳膜電阻脫開導致傳感器無信號輸出的情況。優(yōu)點是價格低廉，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。代表性的產(chǎn)品為新躍儀表廠和美國BI公司生產(chǎn)的扭矩傳感器。電位計式扭矩傳感器輸出模擬信號，在設(shè)計ECU上的接口電路時只需進行簡單的濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化。 （2） 霍爾式，該類型傳感器應(yīng)用霍爾芯片測出與輸入、輸出軸相對角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由調(diào)制電流信號的占空比來表示。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示，2 a） 轉(zhuǎn)子為磁性材料，上面有多對磁極。與EPS中的輸入或者輸出軸連接。 b） 一對定子由軟鐵磁材料制成，彼此相對布置，與EPS中的輸出或者輸入軸連接。輸出、輸入軸通過扭桿連接在一起。 c） 一片或者兩片（冗余設(shè)計）霍爾芯片與傳感器殼體相連，安裝在定子之間的測試槽中。 該類傳感器目前在國外已成為EPS用扭矩傳感器的主流產(chǎn)品，也是國內(nèi)傳感器的主要發(fā)展趨勢。但是最先發(fā)明這款傳感器的MMT公司已經(jīng)率先申請了一系列的相關(guān)專利，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用給MMT公司來獲得專利使用許可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通過購買專利使用許可來獲得這一技術(shù)的使用權(quán)的。只有BOSCH公司通過將磁性材料由MMT公司的軸向布置改為徑向布置成功規(guī)避了MMT公司的專利保護。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）由于國內(nèi)材料及加工水平的限制，還沒有合格的供應(yīng)商。這是該類傳感器實現(xiàn)國產(chǎn)化，實現(xiàn)國內(nèi)廣泛使用，首先需要解決的問題。 （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上的定子由激勵線圈、3個感應(yīng)接受線圈和其他信號處理電子元件組成，轉(zhuǎn)子是一塊簡單的沖壓金屬片。 激勵線圈中的電流產(chǎn)生電磁場與轉(zhuǎn)子發(fā)生感應(yīng)耦合，轉(zhuǎn)子再與接受線圈發(fā)生二次感應(yīng)耦合，定子上的電壓幅值隨定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位置而變化，信號處理單元接收線圈的電壓信號，進行整流、放大并成對地將其按比例輸出。 （4） 光電式，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，兩個光碼盤分別與輸入、輸出軸相連，輸入、輸出軸通過扭桿連接，當扭桿受扭矩作用時，兩光碼盤上的內(nèi)、外兩圈孔的重疊面積將變化，從而光接收裝置的輸出電壓也變化，據(jù)此可以檢測出所施加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。 由于光電式傳感器對環(huán)境的要求比較高，對外部雜質(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 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢 隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對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： 1） 集成化，隨著車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展，除需要知道轉(zhuǎn)向盤力矩信號外，還迫切需要轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，供EPS、AFS（Active Front Wheel Steering）和ESP（Electronic Stability Program）等控制器使用。3集轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器功能于一體的多信號傳感器成為傳感器的發(fā)展趨勢。轉(zhuǎn)角傳感器用于實時檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置，轉(zhuǎn)角信號有利于EPS更好的實現(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總線技術(shù)，可以向其他車載電子控制單元提供信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少汽車中傳感器的數(shù)量，促進車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 3） 可靠性、安全性更強，從單功能向多功能發(fā)展，如包含自補償、自適應(yīng)、自診斷、信息存儲、記憶功能等。 參考文獻： 1 邵麗青. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 汽車與配件. 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. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢. 汽車技術(shù).2005 第9期 作者簡介： 謝程 （1984年12月），女，浙江，工學學士，研究方向為車用傳感器技術(shù)。