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转向扭矩传感器浅析

信息来源: http://www.krckcn.com  时间:2022-3-5 16:56:16 

本文将对应用于电动助力转向系统的扭矩传感器的分类、工作原理、性能指标及系统匹配展开阐述。

1、扭矩传感器概述
传感器是根据规定的被测量的大小,定量提供有用的电输出信号的部件,狭义来讲, 传感器就是把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理化学量转换成电信号的变换器。 
应用于电动助力转向系统的扭矩传感器就是通过特定的敏感元件,将转矩物理量转 换成电信号,并集成有信号处理电路的变换器,如图 2 所示。
扭矩传感器与扭杆组装在一起构成扭矩传感器总成,方向盘转动时,扭杆与扭矩传 感器的上半部分和下半部分存在一个相对偏转角,扭矩传感器就是通过检测这个相对转角来测量方向盘力矩的。如图 3 所示。 
2、分类 
按照内部结构分类可分为接触式传感器和非接触式传感器,如表 1 所示。 
接触式传感器由于传感元件之间一直存在滑动摩擦,因此在使用过程中容易受到磨 损老化,出现测量信号不准确甚至报错的情况。这种类型的传感器已经逐渐被淘汰,非接触式传感器成为市场主流。 
本文主要介绍应用较为广泛的非接触式 扭矩传感器:霍尔式扭矩传感器。 
3、工作原理 
该扭矩传感器通过霍尔效应在导体的两端产生电势差。主要由定子分总成、转子分 总成、上端盖、下端盖、集磁极、Hall IC 组成。转子由多级磁铁组成,固定在输入轴上, 主要是提供磁场。定子上装有磁轭(导磁率比较高的金属材料),固定在下端盖上,下端盖与壳体固定。当方向盘向左转动时,传感器扭杆发生扭转变形,导致转子和定子发生转动,使得上下磁轭与多级磁铁发生错动, 磁通量从 N 极至 S 极,Hall IC 接收到磁通。如果转子与定子反方向相对位移,Hall IC 也接收反向的磁通。磁通的变化经过霍尔 IC 转换为相应的电压变化,从而测量出相应的扭矩大小和方向。如图 4 所示。
当方向盘在中间位置时,磁通量为零。当方向盘左转(+4.5°),磁通量高斯值为 550(示例)。当方向盘右转(-4.5°),磁通量反向, 高斯值为 -550(示例),如图 5 所示。 
4、性能指标 
4.1 直线度 
传感器输出量(电压)与输入量(扭矩)之间的实际关系曲线偏离理想直线的程度。一般要求:≤ ±2%。
4.2 迟滞 
在测试行程内所有测试位置来回电压的差值。一般要求:≤ 1%。 
4.3 电压波动 
安装完成的 EPS 产品,360°旋转输出轴,传感器信号的电压变化。一般要求:0.08V (max)。 
4.4 中位电压 
判断转向管柱是否受到转向力的作用。中位电压:2.50V。 
5、传感器与 EPS 系统的匹配性 
5.1 传感器的角度匹配
a、机械限位角度。当转向力增大时,限位机构无法再相对转动。此时限位机构所产生的角度称为机械限位角度。 
b、传感器有效角度。当转向力增大时,是指传递给ECU的信号中,产生有效助力的那部分信号,称为有效机械角度。 
c、传感器的角度匹配在设计总成和生产装配时,必须保证:机械限位角度>传感器有效角度。 
5.2 传感器输出电压和扭杆的关系 
传感器的输出电压最终是被 ECU 控制器进行采集的,而 ECU 通过计算传感器的电压 信号,得知驾驶员转动方向盘扭矩的大小。那么就必须定义传感器电压和扭矩之间的关系。
如果传感器图纸中给定的是电压和角度的关系,那么就必须确定扭杆的刚度来最终 确定输出信号。 
5.3 扭杆刚度的计算
例:
已 知:U=3.5V;T=7.8Nm;K1= (1/3.5)V/°; 
公式: 
所以:K2=7.8/3.5;K2=2.23Nm/° 
其中: 
U:传感器输出电压,单位 V; 
T:扭矩,单位 Nm
K1:传感器电压与角度的关系,单位为 V/°,和传感器的类型有关。 
K2:扭杆的刚度,单位为 Nm/°,由扭杆的粗细和长短来确定。 
6 结语 
本文主要针对电动助力转向系统用扭矩传感器的工作原理、性能指标和系统匹配等 方面进行了分析,对后续扭矩传感器的开发具有指导意义。
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