CN103063127B - 编码磁阻结合式esp绝对式多圈角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器，旨在提供一种专为汽车ESP开发的编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，包括与方向盘管柱一起转动的齿轮，齿轮上设置有同心圆的编码盘，编码盘上分布有圆弧段的缺口；齿轮还啮合着一个小齿轮，小齿轮包含径向分布的磁铁，可被磁感应角度传感器检测转动，其输出范围在0°-360°；小齿轮的齿数为齿轮的1/k；在编码盘的圆周上还间隔30°排列着4个带磁铁的霍尔开关芯片，当编码盘1每转动30°，4个霍尔开关芯片就输出变化一次；4个霍尔开关芯片可结合编码盘实现单圈内由0与1构成的4位二进制数字量表示每30°。本发明是将游标原理进行分段设计，扩大了产品的容差范围，本发明中将角度感应芯片的使用个数降低，因此在不降低传感器精度的同时，降低了设计成本。

Description

编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体地说，是一种专为汽车ESP(Electrical Stability Program电子稳定性程序)开发的编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器。

背景技术

角度的检测应用非常广泛，对于汽车领域，角度检测的是驾驶员操作方向盘的转动角度，由于方向盘的转动是多圈的，因此需要使用多圈检测技术。多圈检测可以分为接触式与非接触式，接触式中常用的是滑动变阻器式，角度的变化改变滑动变阻器电阻值；非接触式中有电感式，光电式，电磁式等。非接触式在精度、噪声、使用寿命等方面都优于接触式，其中电磁式因为应用式结构简单，运行可靠，近年来得到广泛应用。

在专利CN1090315C中披露了一种检测可转动物体之转角的装置结构，用于检测一个可转动多于360°之物体转角，其结构如图4所示，图中10为旋转轴，11为旋转轴10带动的主齿轮，与11啮合的有2个齿数不同的从齿轮12和13，在从齿轮12和13内含有2个磁体；当旋转轴10旋转时，从动齿轮12与13以不同速度转动，通过两个周期性的转角传感器14与15分别探测从动齿轮12与13转动的角度；其中转角传感器周期为Ω，主齿轮齿数为n,从动齿轮12齿数为m，转角为θ，从动齿轮13齿数为z(＝m+1)，转角为ψ。该技术方案是基于游标原理，方向盘转动带动齿数不同的两个齿轮转动，通过检测两个齿轮单圈的角度，进而得到方向盘转动的角度。其缺点有：

1.必须使用两颗磁感应角度芯片检测两个齿轮的角度，磁感应角度芯片目前均为国外产品，国内没有成熟产品，国内采购这类芯片的价格昂贵，在整个产品成本中占40％以上，导致国内开发的传感器产品缺乏竞争力，无法打开市场。

2.游标原理是基于两组不同齿数比的齿轮副传动，对齿轮精度要求高，同时两组齿轮副之间齿数比不能超差否则超出游标原理适用范围。

US7775129专利也公开了一种基于上述专利改进后的方案，如图5所示，也是使用游标原理，但是将其中一个小齿轮29与另一小齿轮26相啮合，并设置两颗角度磁感应芯片序号27和30来检测角度；图中25为主齿轮，2为传感器外壳，1为转动管柱。该技术方案与前述专利一样，仍然使用两颗角度感应芯片，只是改变了齿轮的啮合对象，因此同样存在对齿轮精度的要求以及齿数比超差问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于霍尔开关和霍尔角度传感器的磁感应技术的编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，包括与方向盘管柱一起转动的齿轮，所述齿轮上设置有同心圆的编码盘，编码盘上分布有圆弧段的缺口；所述齿轮还啮合着一个小齿轮，小齿轮包含径向分布的磁铁，可被磁感应角度传感器检测转动，其输出范围在0°-360°；所述小齿轮的齿数为齿轮的1/k(k为齿轮与小齿轮的齿数比，k>1)；在所述编码盘的圆周上还间隔30°排列着4个带磁铁的霍尔开关芯片，当编码盘每转动30°，4个霍尔开关芯片就输出变化一次。

作为一种优选，所述编码盘上分布的圆弧段的缺口有4段，分别位于圆周的0°-60°、90°-120°、150°-180°和270°-300°。

作为一种优选，所述4个霍尔开关芯片可结合编码盘实现单圈内由0与1构成的4位二进制数字量表示每30°。

本发明还公开了一种编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器在方向盘转动多圈范围内，基于段数与磁感应角度传感器0～360°输出计算多圈方向盘转动角度的方法，该方法如下：

(a)根据磁感应角度传感器4输出α与齿轮(2)与小齿轮3间传动比k,记当前圈数i,则方向盘多圈角度A为

A＝(α+i*360°)/k

(b)根据当前段数n与方向盘所在圈数j，总段数m，则方向盘多圈角度A为

A≈n*360°/m+j*360°

(c)其中i,j均为整数，由以上两个公式与限定的误差范围确定最终的i值，进而得到方向盘多圈角度值A。

本发明是将角度感应芯片的使用个数降低，因此在不降低传感器精度的同时，降低了设计成本。相比现有技术，其有益效果具体表现在：

a)减少一个传动齿轮，减少了对应的模具开发。

b)减少了一个磁感应角度芯片，从设计上降低了产品成本。

c)将游标原理进行分段设计，扩大了产品的容差范围。

d)由于本发明只有一个磁感应角度芯片使用，因此系统对MCU(Micro Controller Unit微型处理芯片)的要求降低，可以选择更为简单的MCU，从而进一步节省了成本。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为转角和磁感应角度传感器输出与段数XY图；

图3为段数和磁感应角度传感器输出的角度XY图；

图4为现有技术(专利CN1090315C)的结构示意图；

图5为现有技术(专利US7775129)的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，与方向盘管柱一起转动的齿轮2上设置着同心圆的编码盘1，编码盘1为导磁体材料，其上分布有圆弧段缺口；如此时编码盘的图示位置为0°，则按逆时针方向，缺口位置分别在圆周的0°-60°、90°-120°、150°-180°和270°-300°；编码盘1与齿轮2在机械上可做成一个整体，一起跟随方向盘转动。齿轮2还啮合着一个小齿轮3，小齿轮3包含径向分布的磁铁，其齿数为齿轮2的1/k；4为检测齿轮3转动的磁感应角度传感器，感应在小齿轮3内随之转动的磁铁方向变化，得出小齿轮3的转动角度，其范围在0°-360°。图中，5、6、7、8为4个带磁铁的霍尔开关芯片，在编码盘1的圆周上间隔30°地排列。当缺口到达霍尔开关芯片5时，开关闭合输出；缺口离开时，开关断开。

4个霍尔开关芯片5、6、7、8可结合编码盘1实现单圈内由0与1构成的4位二进制数字量表示每30°；如果记开关闭合时输出为1，断开时为0。

从霍尔开关芯片5,6,7，8和编码盘1可以将方向盘每圈转动划分为12等分，且有5,6,7,8的输出值可以得到当前的段数。

将方向盘角度转动角度值作为X轴，霍尔传感器5,6,7，8输出所代表的段数和磁感应角度传感器输出的角度作为Y轴，可以得到图2所示曲线。其中横坐标方向盘转动角度A范围为0°-1440°，线段22的为霍尔传感器5,6,7,8所表示的段数。曲线21为磁感应角度传感器输出的连续角度0°到360°。

小齿轮3随着齿轮2跟随方向盘的转动而转动，齿轮2齿数大于小齿轮3齿数，比值为k,k>1。图中取k＝1.8，即齿轮2的齿数为小齿轮3的1.8倍。

为了更好的表示曲线21的值与线段22的段数关系，我们以线段22为X轴，曲线21为Y轴作图，得到图3所示，很清晰的可以看出在线段22的每段上(1-12)曲线21的值没有重叠。图中曲线21的斜率为记为k，所在的圈数为整数i，当前值为α，则方向盘多圈角度：

A＝(α+i*360°)/k               公式1

k是由机械结构决定的，因此是已知值，图中k＝1.8。

α是由磁感应角度芯片的到的角度值在0°-360°范围内，为已知值。

因此只要得到圈数i即可得到方向盘多圈角度A。

由机械结构可知，线段22所在圈数等于方向盘所在圈数记为j，同时记总段数为m(图中所示为12)，当前段数为n，则

A≈n*(360°/m)+j*360°          公式2

其中，m与n均为已知值，j可以有当前的α与n在图3中得出。因此由公式2，我们可以得到A的近似值。误差在360°/m范围内，当m＝12时，即误差在30°范围内。

由公式1得到i＝(A*k-α)/360°＝A*k/360°-α/360°，由A的误差范围可以得到，i的误差范围Δ＝k/360°*(360°/m)＝k/m,图中k＝1.8,m＝12因此i的误差范围为0.15。即近似A带入公式1得到的i，和与之最接近的整数相差小于0.15时，即可知道i即为这个最接近的整数，反之则说明系统出现故障，无解。

最后，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其方法、技术内容所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，包括与方向盘管柱一起转动的齿轮(2)，其特征在于，所述齿轮(2)上设置有同心圆的编码盘(1)，编码盘(1)上分布有圆弧段的缺口；所述齿轮(2)还啮合着一个小齿轮(3)，小齿轮(3)包含径向分布的磁铁，可被磁感应角度传感器(4)检测转动，其输出范围在0°-360°；所述小齿轮(3)的齿数为齿轮(2)的1/k，k为齿轮(2)与小齿轮(3)的齿数比，k>1；在所述编码盘(1)的圆周上还间隔30°排列着4个带磁铁的霍尔开关芯片(5、6、7、8)，当编码盘(1)每转动30°，4个霍尔开关芯片就输出变化一次。

2.根据权利要求1所述编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，其特征在于，所述编码盘(1)上分布的圆弧段的缺口有4段，分别位于圆周的0°-60°、90°-120°、150°-180°和270°-300°。

3.根据权利要求1或2所述编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，其特征在于，所述4个霍尔开关芯片(5、6、7、8)可结合编码盘(1)实现单圈内由0与1构成的4位二进制数字量表示每30°。

4.一种如权利要求3所述编码磁阻结合式ESP绝对式多圈角度传感器，在方向盘转动多圈范围内，基于段数与磁感应角度传感器0～360°输出计算多圈方向盘转动角度的方法，该方法如下：

(a)根据磁感应角度传感器(4)输出α与齿轮(2)与小齿轮(3)间传动比k,记当前圈数i,则方向盘多圈角度A为

A＝(α+i*360°)/k

(b)根据当前段数n与方向盘所在圈数j，总段数m，则方向盘多圈角度A为

A≈n*(360°/m)+j*360°

(c)其中i,j均为整数，由以上两个公式与限定的误差范围确定最终的i值，进而得到方向盘多圈角度值A。