CN107776660A - 新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法。本发明涉及一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法。包括EPS转向管柱输入轴（1）、转向管柱弹性轴（4）、转向管柱输出轴（6），EPS转向管柱输入轴（1）的首端插入转矩转角传感器上部（2），转矩转角传感器上部（2）内装入传感器检测电路板（3），EPS转向管柱输入轴（1）内插入转向管柱弹性轴（4），转向管柱弹性轴（4）还插入转向管柱输出轴（6）内，转向管柱输出轴（6）插入转矩转角传感器下部（5），传感器检测电路板（3）上设置转矩转角数据处理模块。本发明用于汽车电动助力转向系统转矩转角传感器。

Description

新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法。
背景技术
汽车电动助力转向器（electronic power steering，简称EPS）是汽车转向技术发展的重要方向，目前已经取代传统液压助力转向系统成为现代高级轿车的标配。电动助力转向系统依赖扭矩传感器进行控制，相比传统液压助力转向系统具有节能、高效、操纵性好按需提供助力和适应性强等特点。电动助力转向系统可实现随车速提供助力，随着控制目标要求越来越高转向控制引入了转向角度控制，EPS转向系统依据转矩转角传感器信号进行状态判断进行控制策略提供不同的助力控制的信号依据。电动助力转向器扭矩转角传感器为转向系统提供转向盘转矩信号与转角信号，保证了EPS控制系统实时掌握转向力矩变化和转向角度位置，方便用于EPS控制系统控制策略的实施。
电动助力转向器的转矩转角传感器是EPS转向系统中的关键部件，重庆交通大学硕士学位论文《EPS用转矩转角传感器的研究》该转矩转角传感器，采用齿轮传动方式，利用磁感应原理，借助成型产品芯片TLE5012进行角度和扭矩的检测，信号解算完全由TLE5012完成解算，然后通过数字传递到单片机进行控制。合肥工业大学硕士学位论文、名称为《EPS转矩转角集成传感器的设计及系统控制策略研究》公布的是利用霍尔理论，采用齿轮传动方式对角度进行测量，转矩测量基于各向异性磁阻效应理论的芯片，磁敏元件阻值跟随磁场方向变化，由扭杆两端圆盘上的磁铁和磁感应芯片的相对位置变化产生阻值变化从而测量扭矩。武汉理工大学硕士学位论文《电动转向器转矩转角传感器研究》基于磁敏电阻原理，设计了平行结构圆盘，通过圆盘外圆端部磁铁与磁敏电阻感应产生阻值变化从而实现对转角转矩的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器及其检测方法，其以较低的成本实现快速高精度的转矩转角测量，进行传感器信号的冗余控制和减少传递环节降低故障发生的概率等问题。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，包括EPS转向管柱输入轴1、转向管柱弹性轴4、转向管柱输出轴6，所述的EPS转向管柱输入轴1的首端插入转矩转角传感器上部2，所述的转矩转角传感器上部2内装入传感器检测电路板3，
所述的EPS转向管柱输入轴1内插入转向管柱弹性轴4，所述的转向管柱弹性轴4还插入转向管柱输出轴6内，所述的转向管柱输出轴6插入转矩转角传感器下部5，
所述的传感器检测电路板3上设置转矩转角数据处理模块。
所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的转矩转角传感器上部2的中心设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅰ8，所述的转矩转角传感器上部2的底部两脚分别设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ9，所述的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ9的中心设置转角检测感应磁环Ⅰ10，所述的转角检测感应磁环Ⅰ10配合矩转角传感器下部5的固定柱11使用；
所述的矩转角传感器下部5与转矩转角传感器上部2的结构相同，所述的矩转角传感器下部5的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅲ12与转角检测感应磁环Ⅱ13方向与转矩转角传感器上部2相反。
所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的传感器检测电路板3包括电源模块，所述的电源模块给A桥、B桥、一阶低通RC滤波、放大电路、二阶有源滤波与单片机，
所述的A桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅰ，所述的一阶低通RC滤波Ⅰ将信号传输至放大电路Ⅰ，所述的放大电路Ⅰ将信号传输至二阶有源滤波Ⅰ，所述的二阶有源滤波Ⅰ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的B桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅱ，所述的一阶低通RC滤波Ⅱ将信号传输至放大电路Ⅱ，所述的放大电路Ⅱ将信号传输至二阶有源滤波Ⅱ，所述的二阶有源滤波Ⅱ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至单片机内的PWM模块，所述的单片机内的ALU处理器与单片机内的FLASH模块双向传输信号，
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至CAN总线，所述的单片机内的PWM模块将PWM信号输出。
所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器的检测方法，检测方法步骤如下：
步骤一：EPS转向管柱输入轴1转动带动角度检测模块的大齿轮3转动；
步骤二：角度检测模块大齿轮3带动啮合传动的两个转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ10转动；
步骤三：角度检测模块小齿轮10上环形磁钢旋转对转角信号转换模块中的磁阻感应芯片内部产生影响输出转角信号；
步骤四：转角信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中计算，通过数据发送模块发出转向管柱的旋转角度信号；
步骤五：与转向管柱弹性轴连接的转矩检测模块中的大齿轮6带动啮合转矩检测模块中小齿轮5转动；
步骤六：转矩检测模块中小齿轮5上的环形磁钢对转矩信号转换模块中的磁感应芯片产生影响输出转矩信号；
步骤七：转矩信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中；
步骤八：在信号处理模块中对比转角信号与转矩信号的偏差计算出转向管柱输入转矩值通过数据发送模块发出转向管柱的转矩信号。
有益效果：
本发明的新型电动助力转向系统转矩转角传感器利用较低成本的磁感应芯片和所设计的滤波电路实现集成芯片的功能，不仅在成本上降低了而且在功能上实现了冗余信号检测，转角信号与转矩信号实现差分互补检测，可以有效避免累积误差，避免单一转矩转角信号实现转矩转角信号冗余控制，提高了转矩转角传感器的可靠性。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明的角度与转矩检测模块齿轮组装配图a与b。
附图3是本发明的信号滤波模块与数据处理模块电路框图。
附图4是本发明的信号滤波模块与数据处理模块电路原理图。
附图5是本发明的转角信号转换模块信号流程框图。
附图6是本发明的RC低通滤波网络。
附图7是本发明的二阶有源巴特沃斯滤波器。
具体实施方式：
实施例1
一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，包括EPS转向管柱输入轴1、转向管柱弹性轴4、转向管柱输出轴6，所述的EPS转向管柱输入轴1的首端插入转矩转角传感器上部2，所述的转矩转角传感器上部2内装入传感器检测电路板3，
所述的EPS转向管柱输入轴1内插入转向管柱弹性轴4，所述的转向管柱弹性轴4还插入转向管柱输出轴6内，所述的转向管柱输出轴6插入转矩转角传感器下部5，
所述的传感器检测电路板3上设置转矩转角数据处理模块。
实施例2
实施例1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的转矩转角传感器上部2的中心设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅰ8，所述的转矩转角传感器上部2的底部两脚分别设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ9，所述的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ9的中心设置转角检测感应磁环Ⅰ10，所述的转角检测感应磁环Ⅰ10配合矩转角传感器下部5的固定柱11使用；
所述的矩转角传感器下部5与转矩转角传感器上部2的结构相同，所述的矩转角传感器下部5的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅲ12与转角检测感应磁环Ⅱ13方向与转矩转角传感器上部2相反。
所述的矩转角传感器下部5的中心设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅳ7，所述的矩转角传感器下部5的顶部两个角分别设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅲ12，所述的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅲ12的中心设置转角检测感应磁环Ⅱ13。
实施例3
实施例1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的传感器检测电路板3图2-7包括电源模块，所述的电源模块给A桥、B桥、一阶低通RC滤波、放大电路、二阶有源滤波与单片机，
所述的A桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅰ，所述的一阶低通RC滤波Ⅰ将信号传输至放大电路Ⅰ，所述的放大电路Ⅰ将信号传输至二阶有源滤波Ⅰ，所述的二阶有源滤波Ⅰ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的B桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅱ，所述的一阶低通RC滤波Ⅱ将信号传输至放大电路Ⅱ，所述的放大电路Ⅱ将信号传输至二阶有源滤波Ⅱ，所述的二阶有源滤波Ⅱ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至单片机内的PWM模块，所述的单片机内的ALU处理器与单片机内的FLASH模块双向传输信号，
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至CAN总线，所述的单片机内的PWM模块将PWM信号输出。
实施例4
实施例1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器的检测方法，检测方法步骤如下：
步骤一：EPS转向管柱输入轴1转动带动角度检测模块的大齿轮3转动；
步骤二：角度检测模块大齿轮3带动啮合传动的两个转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ10转动；
步骤三：角度检测模块小齿轮10上环形磁钢旋转对转角信号转换模块中的磁阻感应芯片内部产生影响输出转角信号；
步骤四：转角信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中计算，通过数据发送模块发出转向管柱的旋转角度信号；
步骤五：与转向管柱弹性轴连接的转矩检测模块中的大齿轮6带动啮合转矩检测模块中小齿轮5转动；
步骤六：转矩检测模块中小齿轮5上的环形磁钢对转矩信号转换模块中的磁感应芯片产生影响输出转矩信号；
步骤七：转矩信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中；
步骤八：在信号处理模块中对比转角信号与转矩信号的偏差计算出转向管柱输入转矩值通过数据发送模块发出转向管柱的转矩信号。
实施例5
实施例3新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的一阶低通RC滤波Ⅰ与一阶低通RC滤波Ⅱ电路相同，所述的放大电路Ⅰ与放大电路Ⅱ相同；
所述的一阶低通RC滤波Ⅰ与放大电路Ⅰ的具体电路如下，-IN连接电阻R1的一端，所述的电阻R1的另一端连接放大器A1的正输入端、电容C1的一端与电容C3的一端，所述的电容C1的另一端接地，
+IN连接电阻R2的一端，所述的电阻R2的另一端连接放大器A1的负输入端、电容C2的一端与电容C3的另一端，所述的电容C2的另一端接地，所述的放大器A1的7号端与8号端之间连接电阻RG，所述的放大器A1的4号端连接电压+VS、电容C4的一端与电容C5的一端，所述的电容C4的另一端接地，所述的电容C5的另一端接地，所述的放大器A1的5号端连接电压+VS、电容C6的一端与电容C7的一端，所述的电容C6的另一端接地，所述的电容C7的另一端接地，所述的放大器A1的输出端连接信号输出端VOUT，所述的放大器A1的得6号端连接转角信号转换模块中的MC9S12G128芯片。
实施例6
实施例3新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的二阶有源滤波电路Ⅰ与二阶有源滤波电路Ⅱ电路相同，所述的二阶有源滤波电路Ⅰ的Vin连接电阻R3的一端，所述的电阻R3的另一端连接电容C8的一端、电阻R4的一端与电阻R5的一端，所述的电阻R5的另一端连接电容C9的一端与放大器A2的负输入端，所述的电阻R4的另一端连接电容C9的另一端与放大器A2的输出端，所述的放大器A2的正输入端连接放大器A2的4号端与接地端，所述的电容C8的另一端接。
实施例7
实施例3新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，所述的转角信号转换模块包括磁性传感器U4、仪表放大器U12与仪表放大器U13，所述的磁性传感器U4的3号端连接电容C46的一端与电容C47的一端，所述的电容C46的另一端连接电容C47的另一端、电容C30的一端、电容C31的一端、电容C32的一端、电容C33的一端、仪表放大器U13的4号端与接地端，
所述的磁性传感器U4的1号端连接电阻R19的一端，所述的磁性传感器U4的2号端连接电阻R22的一端，所述的磁性传感器U4的5号端连接电阻R20的一端，所述的磁性传感器U4的6号端连接电阻R23的一端，所述的磁性传感器U4的7号端连接磁性传感器U4的8号端、电容C26的一端与电容C27的一端，
所述的电容C46的另一端与电容C47的另一端连接后再连接电阻R19的另一端与仪表放大器U12的2号端，
所述的电阻R20的另一端连接电容C26、电容C27与仪表放大器U12的3号端，
所述的电阻R22的另一端连接电容C30的另一端、电容C31的另一端与仪表放大器U13的2号端，
所述的电阻R23的另一端连接电容C32的另一端、电容C33的另一端与仪表放大器U13的3号端，
所述的仪表放大器U12的1号端连接电阻R21的一端，所述的电阻R21的另一端连接电阻R37的一端，所述的电阻R37的另一端连接仪表放大器U12的8号端，所述的仪表放大器U12的+VS端连接+5V，
所述的仪表放大器U12的5号端连接仪表放大器U13的5号端，所述的仪表放大器U13的1号端连接电阻R24的一端，所述的电阻R24的另一端连接电阻R38的一端，所述的电阻R38的另一端连接仪表放大器U13的8号端，所述的仪表放大器U13的+VS端连接+5V。
磁性传感器U4的型号为KMZ49；
仪表放大器U12与仪表放大器U13的型号为AD623AN。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，其特征是：包括EPS转向管柱输入轴（1）、转向管柱弹性轴（4）、转向管柱输出轴（6），所述的EPS转向管柱输入轴（1）的首端插入转矩转角传感器上部（2），所述的转矩转角传感器上部（2）内装入传感器检测电路板（3），
所述的EPS转向管柱输入轴（1）内插入转向管柱弹性轴（4），所述的转向管柱弹性轴（4）还插入转向管柱输出轴（6）内，所述的转向管柱输出轴（6）插入转矩转角传感器下部（5），
所述的传感器检测电路板（3）上设置转矩转角数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，其特征是：所述的转矩转角传感器上部（2）的中心设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅰ（8），所述的转矩转角传感器上部（2）的底部两脚分别设置转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ（9），所述的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ（9）的中心设置转角检测感应磁环Ⅰ（10），所述的转角检测感应磁环Ⅰ（10）配合矩转角传感器下部（5）的固定柱（11）使用；
所述的矩转角传感器下部（5）与转矩转角传感器上部（2）的结构相同，所述的矩转角传感器下部（5）的转角检测模块齿轮组齿轮Ⅲ（12）与转角检测感应磁环Ⅱ（13）方向与转矩转角传感器上部（2）相反。
3.根据权利要求1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器，其特征是：所述的传感器检测电路板3包括电源模块，所述的电源模块给A桥、B桥、一阶低通RC滤波、放大电路、二阶有源滤波与单片机，
所述的A桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅰ，所述的一阶低通RC滤波Ⅰ将信号传输至放大电路Ⅰ，所述的放大电路Ⅰ将信号传输至二阶有源滤波Ⅰ，所述的二阶有源滤波Ⅰ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的B桥将信号传输至一阶低通RC滤波Ⅱ，所述的一阶低通RC滤波Ⅱ将信号传输至放大电路Ⅱ，所述的放大电路Ⅱ将信号传输至二阶有源滤波Ⅱ，所述的二阶有源滤波Ⅱ将信号传输至单片机内的集成A/D转换器，所述的单片机内的集成A/D转换器将信号传输至单片机内的ALU处理器；
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至单片机内的PWM模块，所述的单片机内的ALU处理器与单片机内的FLASH模块双向传输信号，
所述的单片机内的ALU处理器将信号传输至CAN总线，所述的单片机内的PWM模块将PWM信号输出。
4.利用权利要求1所述的新型汽车电动助力转向系统转矩转角传感器的检测方法，其特征是：检测方法步骤如下：
步骤一：EPS转向管柱输入轴（1）转动带动角度检测模块的大齿轮（3）转动；
步骤二：角度检测模块大齿轮（3）带动啮合传动的两个转角检测模块齿轮组齿轮Ⅱ（10）转动；
步骤三：角度检测模块小齿轮（10）上环形磁钢旋转对转角信号转换模块中的磁阻感应芯片内部产生影响输出转角信号；
步骤四：转角信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中计算，通过数据发送模块发出转向管柱的旋转角度信号；
步骤五：与转向管柱弹性轴连接的转矩检测模块中的大齿轮6带动啮合转矩检测模块中小齿轮（5）转动；
步骤六：转矩检测模块中小齿轮（5）上的环形磁钢对转矩信号转换模块中的磁感应芯片产生影响输出转矩信号；
步骤七：转矩信号经过信号滤波模块输入到信号处理模块中；
步骤八：在信号处理模块中对比转角信号与转矩信号的偏差计算出转向管柱输入转矩值通过数据发送模块发出转向管柱的转矩信号。
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