基于各向异性磁阻效应的eps角度传感器研究

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1、基于各向异性磁阻效应的EPS角度传感器研究　　摘要：文章基于磁阻效应设计非接触式EPS角度传感器，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案。该传感器系统可以非接触式的测量角度。理论分析和实验表明该传感器系统与传统的角度传感器相比，精度高、可靠性好、应用范围广，且体积小、成本低。　　关键词：磁阻效应；EPS；单片机；CAN；角度传感器；　　中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）07-0014-04　　1概述　　电动助力转向（Electric

2、PowerSteering，简称EPS）是利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。其基本工作原理是：不转向时，电动机不工作；当转向时，传感器将检测到的动力作用于转向盘上的信号传送给ECU，ECU同时接收车速传感器传来的车速信号，ECU对输入信号进行处理后，向电动机发出指令，电动机据此输出与之相应大小及方向的以产生助力，从而实现助力转向的实时控制。传统的电动助力转向器的传感器大都采用接触式方式，因其接触式的测量方式，传感器的寿命和磨损后的测量精度都会下降，从而影响整个转向系统的性能。我们设计的新型的非接触式传感器，利用磁阻效应

3、的原理，实现了非接触测量，能够测量角度及其方向，传感器寿命也大大延长，并且其测量精度也不会因为接触测量的磨损而有所降低。　　2磁阻传感器工作原理　　图1磁阻效应示意　　磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。　　而当半导体所处外

4、部磁场的磁场强度达到饱和的时候，其阻抗改变仅与磁场方向有关，被称之为各向异性磁阻效应AMR（AnisotropicMagneto-Resistivesensors）。半导体与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，若电流与磁化方向成角θ时，电阻可表示为：　　磁阻传感器设计需充分考虑到磁阻效应里磁场饱和状态下阻抗变化仅与磁场方向相关的特性，依据此原理可以快速准确的测出角度，抗干扰特性较好，更为　　便捷。　　在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图

5、2所示。　　图2基本电桥　　根据磁阻效应电阻公式及惠斯通电桥可以计算出该电桥在θ角的饱和磁场中输出为：　　其中令，则　　Us为磁阻传感器工作电压，K为惠更斯电桥类磁阻芯片固有常数。　　K指作为磁阻传感器的固有属性，理论上是一个常数，但实际会因温度、湿度等外部环境的变化影响而发生改变，且单电桥磁阻角度传感器的角度测量范围仅为90°，两者都会给实际角度测量带来不便。　　3磁阻传感器在EPS中的应用　　在汽车EPS中，转角传感器可以基于多种原理来实现，如光电效应、霍尔效应、磁阻效应、电阻分压效应、可变电容等。不同的实现方式要对应不同的

6、信号处理策略，其优劣性对比如下：　　图3角度传感器分类　　3.1电阻式转角传感器　　电阻式转角传感器的理论依据是电阻的分压原理，它能够通过方向盘的转动带动电阻器上的滑动触电，属于绝对型接触式传感器，滑动触点在运动过程中存在着机械摩擦，滑动触点易磨损，并且工作时易产生噪声，以及体积大不便于安装等一系列缺点。　　3.2光电感应式角度传感器　　光电感应式转角传感器也就是我们通常所说的光电编码器。它的工作原理是：安装在方向盘管柱上的转角传感器跟随方向盘转轴的转动，此时光敏元器件会接受到光照，光敏元件将接收到的光信号转化为电信号并经过信号

7、调理电路的整形和放大后变为电压脉冲输出。由于是基于光电感应原理，它的工作需要光源，安装要求较高，存在温度票移和绕线问题以及造价较高易于损坏的缺点。　　3.3电子电容式转角传感器　　这种传感器由于只有电子电路构成，没有敏感元器件。缺点在于大量电子部件的存在使得电路的结构庞大复杂，而且很容易受到电磁干扰，因此电子式转角传感器的测量精度不高，不适合用于高精度要求的电动助力系统中。　　3.4霍尔（磁电）式转角传感器　　霍尔式转角传感器是由磁敏元件构成的集成传感器，它由霍尔敏感元件、信号调理电路和数字信号处理器构成。它的工作原理是：将磁铁

8、安装在霍尔敏感芯片的上方，霍尔敏感元件能够将磁场的变化转化脉冲信号，经处理放大计算出转角信号。优点是磁敏感范围较大，抗振动干扰和噪声干扰的能力强，结构牢固、体积小便于安装，能够在复杂恶劣的环境下保持较高的灵敏度和测量精度以及造价相对比较便宜。因此，尽管霍尔式传感