CN101608898A - 转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，其主要由齿圈(1)、太阳轮(3)、行星齿轮(7)、CPU控制单元(11)和霍尔传感器组成，其中：太阳轮是一个具有磁性的齿轮，其和齿圈各有一对磁极；太阳轮固定在转向管柱(9)上，转向管柱与汽车方向盘固定连接；行星齿轮有3个，均匀分布，它们固定安装在行星架(6)上，并且与太阳轮和齿圈啮合相连，行星架固定在套筒上部；在所述太阳轮和齿圈的磁极附近分别安装有一对霍尔传感器，每对成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元(11)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，以及安装方便等优点。

Description

转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器

技术领域

本发明涉及传感器，特别是涉及一种转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，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：提供一种转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，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：

本发明提供的转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，主要由由齿圈、太阳轮、行星齿轮、CPU控制单元和霍尔传感器组成，其中：太阳轮是具有一对N和S磁极的齿轮，其齿圈具有一对N和S磁极的齿轮；太阳轮通过花键固定在转向管柱上，转向管柱与汽车方向盘固定连接；行星齿轮有3个，均匀分布，它们固定安装在行星架上，只能自转，并且与太阳轮啮合相连，还与齿圈啮合相连，行星架固定在套筒上部；当汽车方向盘带动太阳轮以1∶1转速转动时，太阳轮带动行星齿轮自转，然后行星齿轮带动齿圈自转；在所述太阳轮和齿圈的N和S磁极附近分别安装有一对霍尔传感器，每对成90度布置；霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元相连。

本发明提供的转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，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，提出一种转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，其与现有技术相比，主要有以下的显著效果：

1.对环境要求低：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，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，具有许多优点它的结构牢固，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)。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是轴向剖视图。

图3是图1中齿圈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是太阳轮空间磁场示意图。

图中：1.齿圈；2、4、5和8.霍尔传感器；3.太阳轮；6.行星架；7.行星齿轮；9.转向管柱；10.管柱外壳；11.CPU控制单元；

具体实施方式

本发明提供的转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，主要由齿圈1、太阳轮3、行星齿轮7、CPU控制单元11和霍尔传感器组成。如图1、图2和图3所示：在齿圈1和太阳轮3上各有一对磁极，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，分别测量太阳轮和齿圈的角度转动，当汽车方向盘转动带动太阳轮以1∶1转速转动。太阳轮固定在转向管柱9上，转向管柱与转向盘固定连接。行星齿轮有3个，均匀分布，它们固定安装在行星架6上，只能自转，并且与太阳轮啮合相连，还与齿圈1啮合相连，行星架固定在套筒上部。在所述太阳轮和齿圈的磁极附近分别安装有一对霍尔传感器，每对成90度布置。霍尔传感器通过数据线与CPU控制单元11相连，霍尔传感器输出电压为相位相差90度的正弦波形。通过CPU控制单元对两组霍尔传感器的波形计算获得转向管柱9的转角位置。

在距离太阳轮和齿圈的磁极附近1.5～2.2mm处，分别安装有一对霍尔传感器。

转向管柱与太阳轮固定连接一起转动，太阳轮3和外部的齿圈1通过行星齿轮7啮合传动动力。通过行星齿轮传动，霍尔传感器的电磁感应获得管柱转轴的位置信号，采用CPU控制单元的计算获得绝对转角输出位置，计算精确，测量范围广。转向管柱9与管柱外壳10不连接，转向管柱通过花键与汽车方向盘固定连接，管柱外壳与车架焊接固定。

本发明提供的转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，其用于测量汽车转向系统中的转角。该转角传感器的测量精度可达0.1度。

该转角传感器可以采用以下方法测量汽车转向系统中的转角，具体是：在霍尔传感器的内部有一个能够产生一个稳定磁场的磁铁，可以产生一个稳定的磁场，当太阳轮旋转时，通过磁铁与太阳轮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，霍尔传感器阻值的变化使得半桥输出的电压发生变化。太阳轮周围安装的霍尔传感器2和霍尔传感器5的输出电压随磁场方向的变化而变化。

下面结合图1和图2，简述本发明的工作过程：

当汽车方向盘带动太阳轮以1∶1转速转动时，太阳轮3带动行星齿轮7转动，然后行星齿轮7通过自转带动齿圈1转动。太阳轮3转动3圈，则齿圈1转动1圈，因而可以测量±1080度的范围。太阳轮3和齿圈1的转动角度通过四个霍尔传感器监测，其输出的信号通过数据线传递到CPU控制单元11。齿圈1转动一周，则霍尔传感器2和霍尔传感器5测量输出波形(图5)，该波形代表齿圈1的转角位置。太阳轮3转动一周，霍尔传感器4和霍尔传感器8测量输出波形(图4)，该波形代表太阳轮3的转角位置。四个霍尔传感器输出的波形其信号通过数据线传递到CPU控制单元11的计算，从而获得转向管柱9的精确角度位置。

Claims (5)

1.一种转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，其特征是主要由齿圈(1)、太阳轮(3)、行星齿轮(7)、CPU控制单元(11)和霍尔传感器组成，其中：太阳轮是具有一对N和S磁极的齿轮，其齿圈具有一对N和S磁极的齿轮；太阳轮通过花键固定在转向管柱(9)上，转向管柱与汽车方向盘固定连接；行星齿轮有3个，均匀分布，它们固定安装在行星架(6)上，只能自转，并且与太阳轮啮合相连，还与齿圈(1)啮合相连，行星架固定在套筒上部；当汽车方向盘带动太阳轮以1∶1转速转动时，太阳轮带动行星齿轮自转，然后行星齿轮带动齿圈自转；在所述太阳轮和齿圈的N和S磁极附近分别安装有一对霍尔传感器，每对成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所述的转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器，其特征是：在距离太阳轮和齿圈的磁极附近1.5～2.2mm处分别安装有一对霍尔传感器。

3.一种根据权利要求1至2中任一权利要求所述转向系统行星齿轮绝对角度输出转角传感器的用途，其特征是该转角传感器用于测量汽车转向系统中的转角。

4.根据权利要求3所述的用途，其特征是该转角传感器采用以下方法测量汽车转向系统中的转角，具体是：在霍尔传感器的内部有一个能够产生一个稳定磁场的磁铁，可以产生一个稳定的磁场，当太阳轮旋转时，通过磁铁与太阳轮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，霍尔传感器阻值的变化使得半桥输出的电压发生变化。

5.根据权利要求3所述的用途，其特征是：该转角传感器的测量精度为0.1度。

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