磁阻式传感器在EPS中的应用

潍 究 汽车科技第3期2012年5月 doi：10．39694．issn．1005—2550．2012．03．09 磁陋 馏感器程 巨PS中的应用 毕玲峰，高 明 (合肥工业大学 机械与汽车T程 学院，合肥 230009 摘要 为解决接触式转角和扭矩传感器在使用寿命及测量精度 方面 的问题 ，研制 出一种 非接触式 的传 感器 ，在测 量 角度 的同时 ，还能测 出系统被施加 的扭矩 。 本文介绍 了一种基于磁 阻式 的，集成 了转角和方 向以及扭矩测量 的传 感器系统，并对该系统 的结构进行相关 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，以实现同时测量转角和扭矩 的功能。 关键词 ：非接触式 ：磁阻 ；扭矩 ，转角 中图分类号 ：U463．4 文献标志码 ：A 文章编 号：1005—2550(2012)03—0032—04 Application of Magneto Resistive Sensor for EPS BI Ling-feng，GA0 Ming (School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China) Abstract：To solve the problems of service life and measurement accuracy in contact sensor，it developed a non—contact sensor which(：an measure angle and torque on the system at the same time．The text introduced a sensor system，which；S based on magneto resistance effect．The system is an integration of measurement of angle and its direction and torque．It has done some relative structure design tO the system to realize its functions． Key words non—contact；magneto resistance；torque；angle EPS的英 文全称是 Electronic Power Steering， 它利用 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，扭矩传感器将检测到 的动力作用于转 向盘上的扭矩信号传 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 相应大小及方向的扭矩 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扭 矩传感器大都采用接触式方式，并且只能检测转 向的扭矩 ，并不能检测转向角度 ，并且因为其接触 式测量 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 阻效应的 原理 ，实现了非接触测量 ，并且 能够 同时测量扭矩 和角度及其方向。因为非接触测量 ，传感器的寿命 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 ]。 收稿 日期 ：2011一t2-07 · 32· 1 磁阻式传感器的原理 利用基于磁 阻芯 片 KMT36H的非接触式测量 系统结构框图如图 l所示。由被测部件 、磁阻传感 器、信号预处理 系统、单片机系统 、上位机显示系统 组成[=j。其 中磁阻传感器包括角度传感器和扭矩传 感器 ，它们的核心芯片为 KMT36H。 图 l 非接触式测量 系统结构框 1．1 磁阻传感器的角度测量原理 半导体材料根据外部磁场方向和大小的变化而 相应改变阻抗的特性称为磁阻效应。当半导体材料 的外部磁场达到其饱和磁场强度，其阻抗的改变只 和磁场的方向有关。KMT36H就是根据此原理来测 量角度和扭矩的 如下图 2所示，将传感器和永磁铁 磁阻式传感器在EPS中的应用／毕玲峰，高 明 溅 勰 黼 按图示位置安装 。&LB,-J要求永磁铁的磁场强度大于传 感器的饱和磁场强度，当永磁铁在传感器的上方旋转 或者平行移动时，传感器内部的三路电桥 (如图3所 示)上的电阻会根据磁场方向的改变而改变，从而传感 器的三路模拟输出信号 。 、 o2和 。 随之改变。则 ， 磁场变化的角度为 — 1 ． f—2"vV—~-+Ia-- arctan ]， 下‘ i—— ， l 、／ J (m，n=l，2；2，3；3，1) (1) 式 (1)中 V1=Voz—V01，V2= (B— 02，V3= 0l— (Bo 但是 由于此芯 片只 能实现 0。～180。的测量 范 围 ，而 EPS的角度测量范围远远超过 此量程 ，所 以 一 块芯片是无法满足EPS的功能需求的。所采用的 装置如图 4所示。该装置为转向轴上套一个大齿轮， 同时大齿轮啮合两个小齿轮，并且两个小齿轮的齿 数相差 1 两个小齿轮随大齿轮旋转 ，由于两小齿轮 的齿数不一致 ，所以根据两个小齿轮转过的相位差 即可算出大齿轮转过的绝对角度。 图 2 传 感器位置 永 磁 铁 图 3 传 感 器 电桥 1．2 磁 阻传感器的扭矩测量原理 测量转向系统所受的扭矩 可以从测量转向系 统在扭矩的作用下产生的弹性变形出发，测量被测 量件的输入端和输出端之间的相对夹角，从而计算 系统被施加的扭矩 磁 铁 图 4 转 角测 量 J京 磁 场的方向在磁铁的两极改变的方向为 180。。 因为芯片相对磁铁的运动位移很小 ，可以近似为直 线。当磁阻芯片测量的磁场角度变化时，利用磁铁的 磁极l~ESn芯片和磁铁的旋转半径 ，可以就算得出输 入轴部件和输出轴部件的相对转角为l5： ： (2) 』L 式(2)中0为磁场变化的角度 ：尺为芯片和磁铁的旋 转半径 ：，J为磁铁 的磁极距。 2 角度传感器和扭矩传感器结构的设计 基于以上测量的基本原理 对角度传感器和扭 矩传感器的结构作了以下设计。 2．1 角度传感器的结构设计 根据 KMT36H 的测量原理 图，将该原理电路图 制成 双面 PCB电路 板 ，其 中一面主 要布 置 2个 KMT36H，另一面为测量电路所需的其他电器元件。 并设计大齿轮和随动的 2个小齿轮。这里的齿轮几 乎不传递力矩 ，只起传动作用，所以采用塑料浇铸成 型即可。图 5即为根据上述原理制作的实物装置。 2．2 扭杆弹簧的设计 扭杆弹簧的设计如图6 其工作直杆部分为实心 圆柱直杆。保证扭杆输入端在外加力矩的作用下，两连 接端面之间的偏转角不超过±5。，采用等效长度方法确 定其长度，两端采用花键连接。材料选用45钢。 图 5 转角传感器实物图 · 33 · 罐 究 汽车科技第3期2012年5月 l l 一 ／ __＼一 ＼I I’ 、 I 、 ，、 8O r 黑 ‘ l l 90 1O2 112 图 6 扭杆弹簧的结构设计 2．3 扭矩传感器的结构设计 扭矩传感器的结构设计图如图7所示 图8为其 效果图。如图8装置所示，输入轴部件 1与扭杆是通过 花键连接固定在一起的，输出轴部件 5与扭杆之间是 通过另一个花键连接固定。从外观看输入轴和输出轴 并没有直接连接在一起，但内部却通过扭杆相连接。转 角传感器 2与输入轴 1连接固定在一起，可以计算绝 对的转角 托盘 a和输出轴部件 1通过过盈配合连接 在一起，托盘 b和输出轴部件 4通过过盈配合连接在 一 起。磁铁安装在托盘 a上，磁阻传感器组件 6(如图 8 所示)安装在托盘 b上 当在输入轴 1加载扭~EB,1，磁 铁 7和磁阻传感器组件 6之间有相对转动，可以测得 相对转角，利用相对转角进而可以计算出转矩。 1连接部件 ；2．销 ；3．输 出轴部件；4．输入轴部件；5．扭杆 弹簧 ；6．托盘 图 7 转矩转角传 感器设计图 · 34· 1．输入轴部件 ：2．转角传感器；3．托 盘 a；4．托盘 b 5．输 出轴部件 ：6．磁 阻传感器组件 ：7．磁铁 图 8 转矩转角传感器 效果图 3 试验结果 按照上述的测量原理 ，制作了实际的转角和扭 矩测量装置，并在相关汽车试验台上进行了实验测 试。在 o。～180。范围内，以每 30。为步进单位进行测 量 ，在 180O 720。范围内，以每 90。为步进单位进行 测量。测量的结果如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示。 表 1 角度测量结果 加载 实测 角度值 转们平 角度，c 均伉／。 第 一 次 第二次 第 次 O 0 0 O O 30 29．98 29．96 29．98 29．97 60 59．91 59．98 60．O3 59．97 90 90．O2 90．04 90．Ol 90．O2 l2O ¨9．96 l20．06 12004 l2O．02 l5O l49．98 l49．96 l5OO1 149 98 18O 18O．O6 l80．04 180．O2 18O．04 270 270．10 270．02 270．03 27005 360 360．O2 259．92 359 96 359．97 450 449．90 449．92 449．98 449 94 540 540．O2 540．09 54003 540．05 630 630．10 630．O8 630．02 630 07 720 7l9．96 7l9 96 7l9．92 7l9．97 在 0～5 N·nl范围内，以每 0．5 N·I11_为步进单位 进行测量 ，测量结果如表 2所示。 表 2 扭矩测量结果 加载扭矩 实测抖f矩值／N．n t均fI_1f ／1t·m ／N‘nl 0 0．000 0000 0．000 0 000 O．5 0．504 0．495 0．496 0．498 1．0 0．99l 0993 0．0l0 0．998 1．5 1．485 1 487 1．5l5 1．496 2．0 1．98l l 984 2．00l 1．989 2．5 2．497 2．490 2．505 2．497 3．0 2．993 2 985 3．009 2．996 3．5 3．476 3．468 3．524 3．489 4．O 3．985 3．978 4．035 ．3．999 4．5 4．445 4．456 4．522 4．478 5．0 4．976 4．967 5．042 4．995 4 结论 由表 1和表 2的测量结果显示，磁阻传感器在 角度和扭矩时的测量精度能够达到一般装车要求， 且经过多次试验测试 ，所得数据在处理后其线性度 客车玻璃钢前后围开发／陈再霖，陈成海，郝守海 溢 甜 龋 凌 doi：1 0．39694．issn．1 005—2550．201 2．03．01 0 客车玻璃钢前后围开发 陈再霖，陈成海，郝守海 东风汽车有限公司 东风商用车技术 中心 ，武汉 430056) 摘要 ：针对客车车身的生产特 点及需求 ，从材料、结构 、工艺方面全面 阐述某客车玻璃钢前后围开发 ， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 玻璃钢材 料、整体式玻 璃钢前后围工艺在客车车身开发上的应用优势。 关键词 ：客 车：玻璃钢：前后围蒙皮 ；整体式前后围 中图分类号 ：U469．1 文献标志码 ：A 文章 编号 ：1005—2550(2012)03—0035—05 The Development in the Front and Rear Perinatal of the W hole Bus Body by FRP CHEN Zai-lin，CHEN Cheng-hai，HA0 Shou—hal (Commercial Vehicle Technical Center of DFL Wuhan 430056，China) Abstract：According to the characteristic and requirement of bus body，it introduces the development from the materials， the structure and manufacturing process and analyzes the superiority in the whole in the front and rear perinatal of body by FRP materials． Key word：bus；FRP；the skin in the front and rear perinatal of body；the whole in the front and rear perinatal of bus body 车身前后围是客车车身结构上制造工艺相对较 复杂 、制造难度较大、制造投入成本较高、制造准备 周期较长的结构总成件。根据生产需要的综合考虑 ， 采用合适的前后围蒙皮制造工艺 ，对客车车身前后 围的产品质量、制造成本、开发周期具有决定性意 义。 1 玻璃钢材料的特点及在客车车身上应用 的优势 玻璃钢是由树脂、增强材料和多种辅助成分合 理组合而成。确切的名称是玻璃纤维增强塑料。它是 收稿 日期 ：201l—l2—14 由玻璃纤维毡、玻璃纤维织物与合成树脂 (如聚酯树 脂、环氧树脂等)复合而成 的一种复合材料。 玻璃钢材料的特点及在客车车身上应用具有如 下优势 ： 1)玻璃钢质量轻。其密度仅为 1．6～2．1，是钢铁 的 1／4～1／5，是铝材的 3／5左右。可以减轻汽车 自身 重 量 。 2)玻璃钢材料具有优 良的成型，I'~ag。可充分利 用树脂的流动性和玻璃纤维的层压性，制造形状复 杂的曲面 ，容易满足流线型、圆滑结构的车身外表面 需求。 3)玻璃钢前后围外板适合采用一体化成型。可 使玻璃钢前后围外板达到较高 的外表面质量的同 时 还能减少部件的数量及装配工序 提高部件匹配 并无大的变化，传感器的重复性很好 ，传感器总体性 能能够很好地满足 EPS系统要求。 参考文献： [1]裴锦华 ，李明．汽车 转向系统 力矩 波动 的匹配研 究[J]．汽 车科技 ，2010，05(3)． [2]Iehiro Tokunaga，Hirofumi Okumura，Yuichi Shonai，OS— hio Ogawa．Development of the noncontaet steering angle sensor using a giant magnetoresistive element[J 3．SAE pa— per 2007-01—0395，2007． [3]贺贵芳 ，李瑞 霞，刘杰．汽车与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 机械用传感器[M]。北 京 ：人 民交通出版社 ，2002，4． [4]梁长 垠．磁阻式传感器在角度测量 中的应用[J]．传感器 技术 ，2005，24(4)． [5]贾俊 荣，刘志群 ，薛 晓玲．单片机接 口模块应用和开发 实 例详解 『M]．北京 ：北京航空航天大学 出版社 ，2010，1． · 35·