电动助力转向系统电感式转矩传感器的研究

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1、Research&Development摘要：转矩传感器是汽车电动助力转向（EPS）系统的关键部件之一，其输出特性直接影响到EPS系统的控制性能。本文介绍了一种电感式转向盘转矩传感器原理，采用Ansoft对其磁场进行了分析，设计了传感器的信号调理电路，并通过实验对传感器的输出进行了标定，给出了传感器的输出特性曲线。实验结果表明，传感器各项性能满足EPS系统的要求。关键词：电动助力转向系统；电感式；转矩传感器中图分类号：TP212.1文献标识码：A文章编号：1006-883X(2007)02-0011-04季学武刘学孙凌玉一、引言汽车电动助力转向（ElectricPowe

2、rSteering，EPS）系统成为国内转向行业研究的热点。EPS系统主要由机械转向系统、转向传感器、控制器（ECU）、电机及减速器等组成。ECU根据接收到的转向盘转矩信号和车速信号，通过分析、判断及查表计算，控制电机电流，从而产生合适的助力。由此可以看出，转向盘转矩传感器是汽车EPS系统中的主要组成部件之一。目前，国内外现有的EPS系统采用的转矩传感主要有以下形式：[1][2]①光电式，LUCAS公司有该类型的产品，清华大学也进行了这方面的研究、并做出了样件，前者结构比较复杂，对加工工艺要求较高，后者对前者进行了改进，但是存在温度漂移和绕线的问题。[3]②电位计式，B

3、I公司和NSK公司都有该类型的产品，前者集成了转矩、转角测量，后者采用滑套机构将转角差变换为电位计摆臂摆动，实现转矩测量。该类型的传感器都属于接触式，存在磨损，降低了其性[4]能。[4、5]③电感式，KOYO公司和NSK公司都有该类型的产品，该类型传感器具有较高的精度，很好地实现了非接触测量，非常适合EPS系统使用。本文介绍了电感式转矩传感器原理，对其磁场进行了分析，设计了传感器的信号调理电路，并进行了转矩信号的输出标定。二、传感器的原理电感式转矩传感器的结构如图1(a)所示，传感器存在两个磁路：由检测环1、2与检测线圈壳体等构成的检测磁路和由检测环2、3与补偿线圈壳体

4、等构成的补偿磁路。其中线圈壳体和检测环1、2、3由高导磁材料制成。传感器的信号变换与传递过程如图1(b)所示，当在转矩传感器扭杆两端施加转矩M时，扭杆发生扭转变形，产生转角差∆θ。由材料力学可知：132L∆θ=M=M(1)kπD4G2007.2SensorWorld11www.sensorworld.com.cn分析方法会带来很大的误差，本检测环1、2输入扭矩扭杆扭转角齿端面正对检测磁路文利用Ansoft软磁阻变化面积变化件对传感器进行了三维静磁场分主转矩信号电桥输出检测线圈析，得到传感器幅度变化电感变化1/8模型的磁感副转矩信号应强度云图，如图2(a)所示。改(a)传

5、感器结构(b)传感器信号变换框图变检测环1、2间图1电感式传感器原理图相对转角∆θ，得到电感与∆θ的关系曲线如图2(b)所示。从图2(b)可以看出，Ld曲线中间部分与检测环1、2端面齿重叠角存在很好的(a)传感器B云图(b)电感—转角关系曲线线性关系，结合图2Ansoft仿真计算结果式(1)可知，Ld和M存在很好的线式中：L—扭杆有效长度；性关系，Ld曲线的首、尾段出现斜率下降，这是由于磁通G—扭杆材料剪切模量；饱和引起的。为了保护扭杆，传感器中设计了机械限位机D—扭杆轴有效直径；构使扭转角保证在±5°的范围内，所以在传感器正常工作k—扭杆刚度。的情况下，Ld是随∆θ线

6、性变化的。另一方面，补偿线圈电由于扭杆的变形，使得与扭杆输出端连接的检测环1感Lc基本保持为常数，不随∆θ而变化，同时，检测线圈和和与扭杆输入端连接的检测环2之间产生相对转动，检测补偿线圈之间的互感在整个区间都有M<

7、引起三、传感器的信号调理电路检测线圈的自感发生变化，补偿磁路的磁阻主要来源于检本文设计的传感器信号调理电路采用的是调幅式测量测环2、3上端面齿间的空气隙磁阻和其它部分存在的磁阻，电路，其基本框图如图3所示。传感器的信号调理电路有由于检测环2、3都与扭杆输入端连接，施加转矩时，检测两个通道分别输出主、副转矩信号，以便ECU根据这两个环2、3间没有相对转动，即检测环2、3端面正对面积不信号对传感器进行故障诊断。主、副转矩的信号处理电路发生变化，所以补偿磁路的两部分磁阻都不随转矩变化，基本相同，仅差动输入端反相，使得输出信号正好反相。即补偿线圈