CN101603807B

CN101603807B - 汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器

Info

Publication number: CN101603807B
Application number: CN2009100631455A
Authority: CN
Inventors: 杨胜兵; 过学迅; 徐涛
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2029-07-14
Also published as: CN101603807A

Abstract

本发明是一种汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其由外磁圈(1)、内磁环(3)、行星磁轮(7)、CPU控制单元(11)和霍尔传感器组成，其中：内磁环固定在转向管柱(9)上，转向管柱与汽车方向盘固定连接；行星磁轮有3个，均匀分布，它们安装在行星架(6)上只能做自转，并且与内磁环啮合传动，还与外磁圈啮合传动；行星架固定在套筒上部；在所述内磁环和外磁圈的磁极附近分别安装有一对霍尔传感器，每对霍尔传感器成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元相连。本发明具有对环境要求低，性价比高，测量范围广，对温度导致的误差不敏感，安装方便，以及测量误差小等优点。

Description

汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别是涉及一种汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，它是一种在汽车转向系统中的用于测量转角的传感器。

背景技术

目前所使用的有电阻式和光电式转向转角传感器。

电阻式转向转角传感器由电阻器和滑动触点组成，其缺陷是：一是对温度敏感；二是偏差较大，约为±1度；三是测量范围太小，仅为±100度。

光电式转向转角传感器由光敏元件，透光胶片以及对应的信号处理电路组成，光电感应式传感器包括至少2个光敏元件、1个透光胶片以及对应的信号处理电路。透光胶片指的是在不透光的基片(通常做成圆环形)上均匀分布着一些透光矩形孔的胶片。透光胶片一般固定在转向管柱上，可以随着方向盘的转动而转动。在透光胶片的转动过程中，光线通过矩形孔入射在透光胶片后面固定的光敏元件表面。光敏元件表面的光强可以通过转换电路转换成不同幅值的输出电压。由于矩形孔均匀分布，故输出的电压呈现方波形状。通过合理的设计，让2个光敏元件输出的两路电压存在一定相位差(通常为90°)，通过比较两路信号的相位关系就可以判断方向盘的转动方向。方向盘转动一周，输出的方波信号数就是矩形孔的个数，因此，每个方波周期对应的方向盘转角可以求出。在2个时刻t1和t2之间，知道了方向盘的转动方向以及方波的个数，就可以知道2个时刻之间方向盘转动的相对角度。因此，这种传感器被称为相对值转角传感器。通过一定的算法判断出方向盘的中间位置，再由相对值转角传感器求出相对于中间位置转动的角度，就可以求出方向盘的绝对转动角度。该光电式转向转角传感器的缺陷是：一是安装要求高，需要光源；二是价格贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，该传感器价格较低，测量范围大，对温度导致的误差不敏感，而且能够精确的测量转向管柱转角位置。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，由外磁圈、内磁环、行星磁轮、CPU控制单元和霍尔传感器组成，其中：转向管柱与转向盘固定连接，内磁环固定在转向管柱上；行星磁轮有3个，均匀分布，它们安装在行星架上只能做自转，并且与内磁环啮合传动，还与外磁圈啮合传动；行星架固定在套筒上部；当转向盘带动内磁环以1∶1转速转动时，内磁环通过啮合带动行星磁轮自转，然后行星磁轮通过啮合带动外磁圈自转；在所述内磁环和外磁圈附近分别安装有一对霍尔传感器，每对霍尔传感器成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元相连。

本发明提供的汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其用于测量汽车转向转角。

本发明为了克服现有转向系统转角传感器价格昂贵，使用环境要求高的缺点，提出一种汽车转向系统磁传动绝对角度传感器，其与现有技术相比，主要有以下的显著效果：

1.工作环境要求低：在粉尘、潮湿和高温等对传感器不利的环境下，仍然能够保持良好的性能。

2.价格较低：与电阻式和光电式转向转角传感器相比，拥有较高的性价比。

3.测量范围广：测量范围为±1080度，测量范围广，可用于工业机械、工程机械、建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量。如：汽车电子脚踩油门角位移，方向盘位置，座椅位置，前大灯位置，自动化机器人，运动控制，旋转电机转动和控制。

4.对温度导致的误差不敏感，工作温度范围在-40度至+150度之间。

5.采用的霍尔传感器，具有许多优点，如：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达um级)。

6.测量误差小：由于是由磁传动磁轮，故为非接触式，实现无接触磁力传动；输出绝对角度能够实现两路角度冗余输出，提高了测量精度，其测量精度为0.1度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的轴向剖视图。

图3是图1中外齿圈1的结构图。

图4是霍尔传感器4和霍尔传感器8的输出波形。

图5是霍尔传感器2和霍尔传感器5的输出波形。

图6是内磁环空间磁场示意图。

图中：1.外磁圈；2、4、5和8.霍尔传感器；3.内磁环；6.行星架；7.行星磁轮；9.转向管柱；10.管柱外壳；11.CPU控制单元。

具体实施方式

本发明提供的汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其结构如图1、图2和图3所示：由外磁圈1、内磁环3、行星磁轮7、CPU控制单元11和霍尔传感器组成，其中：内磁环固定在转向管柱9上，转向管柱与转向盘固定连接；行星磁轮有3个，均匀分布，它们安装在行星架6上只能做自转，并且与内磁环啮合传动，还与外磁圈啮合传动；行星架固定在套筒上部；当转向盘带动内磁环以1∶1转速转动时，内磁环通过啮合带动行星磁轮自转，然后行星磁轮通过啮合带动外磁圈自转；在所述内磁环和外磁圈附近分别安装有一对霍尔传感器，每对霍尔传感器成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元11相连。

在内磁环3上有6对磁极，外磁圈1上有18对磁极；距离磁极2mm处布置有霍尔传感器，共计四个霍尔传感器。四个霍尔传感器分成两组，每组互成90度角，分别测量内磁环和外磁圈的角度转动。通过CPU控制单元对两组霍尔传感器的波形计算获得内磁环的转角位置。转动方向盘后内磁环在转向管柱9作用下发生旋转。内磁环由N极和S极构成。内磁环周围安装的两个霍尔传感器的输出电压随磁场方向的变化而变化。霍尔传感器输出电压为相位相差90度的正弦波形。内磁环带动外磁圈转动，传动比为3∶1。

转向管柱9与管柱外壳10不连接，转向管柱通过花键与转向盘固定连接，管柱外壳与车架焊接固定。通过行星磁轮传动，霍尔传感器的电磁感应获得管柱转轴的位置信号，CPU控制单元11通过比较图的正弦波和余弦波计算获得绝对转角输出位置，计算精确，测量范围广。

内磁环周围安装的两个霍尔传感器(2和5)的输出电压随磁场方向的变化而变化。同理外磁圈的两个霍尔传感器的输出电压随磁场方向的变化而变化。

本发明提供的汽车转向系统磁传动绝对角度传感器，其用于测量汽车转向转角。该传感器的测量精度为0.1度。

该传感器采用以下方法测量汽车转向转角，具体是：在霍尔传感器的内部设有一个能够产生一个稳定磁场的磁铁；当内磁环旋转时，通过磁铁与内磁环之间的霍尔传感器的磁通量就会发生相应的变化，其波形是准正弦波，从而引起霍尔传感器的阻值发生不同的改变，阻值的变化使得半桥输出的电压发生变化。

下面结合附图简述本发明的工作过程：

当汽车方向盘带动内磁圈3以1∶1转速转动时，内磁圈带动行星磁轮7自转，然后行星磁轮7通过转向管柱9转动带动外磁环1转动，内磁环3和外磁圈1由行星磁轮7进行啮合传动。参见图1和图2，转向管柱9和转动，行星磁轮7固定在行星架6上，行星架固定在汽车静止件上，行星磁轮7通过自转带动外磁圈1转动。内磁环3转动3圈，则外磁圈1转动1圈，因而可以测量±1080度的范围。内磁环3和外磁圈1的转动角度通过四个霍尔传感器测量，输出的信号输入到CPU控制单元11。外齿圈1转动一周，则霍尔传感器2和霍尔传感器5的输出波形(如图4所示，分别以曲线a和b表示)，其代表外磁圈1的转角位置。内磁环3转动一周，则霍尔传感器4和霍尔传感器8的输出波形(如图5所示，分别以曲线c和d表示)，其代表内磁环3的转角位置。四个霍尔传感器输出的波形信号通过CPU控制单元11的计算，获得转向管柱9的精确角度位置。

Claims

1.一种汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其特征是由外磁圈(1)、内磁环(3)、行星磁轮(7)、CPU控制单元(11)和霍尔传感器组成，其中：内磁环固定在转向管柱(9)上，转向管柱与转向盘固定连接；行星磁轮有3个，均匀分布，它们安装在行星架(6)上只能做自转，并且与内磁环啮合传动，还与外磁圈啮合传动；行星架固定在套筒上部；当转向盘带动内磁环以1∶1转速转动时，内磁环通过啮合带动行星磁轮自转，然后行星磁轮通过啮合带动外磁圈自转；在所述内磁环和外磁圈附近分别安装有一对霍尔传感器，每对霍尔传感器成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元(11)相连。

2.根据权利要求1所述的汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其特征是内磁环(3)由6对N极和S极磁极构成，外磁圈(1)由18对N极和S极磁极构成。

3.根据权利要求1所述的汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器，其特征是：所述内磁环和外磁圈附近分别安装的一对霍尔传感器，在距离外磁圈(1)和内磁环(3)附近1.5～2.2mm处。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器的用途，其特征是所述汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器用于测量汽车转向转角。

5.根据权利要求4所述的用途，其特征是所述汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器采用以下方法测量汽车转向转角，具体是：在霍尔传感器的内部设有一个能够产生一个稳定磁场的磁铁；当内磁环旋转时，通过磁铁与内磁环之间的霍尔传感器的磁通量就会发生相应的变化，其波形是准正弦波，从而引起霍尔传感器的阻值发生不同的改变，阻值的变化使得半桥输出的电压发生变化。

6.根据权利要求5所述的用途，其特征是：所述汽车转向系统行星磁轮绝对角度输出传感器的测量精度为0.1度。