CN110657910A - 一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，包括扭矩检测单元和转角检测单元，扭矩检测单元包括轴向充磁的多极磁环(10)，磁通汇聚环(101,102)，环形支架(20)，磁通集束器(103,104)和磁敏元件(30)，转角检测单元包括主动齿轮(40)，2个齿数不同的从动齿轮组件(51,52)和磁敏元件(61,62)。本方案可以抑制集成传感器中2个磁路间的互扰，提高检测精度，优化传感器的稳定性和可靠性。

Description

一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，属于传感器技术领域。

背景技术

机动车的电动助力转向系统，通常需要1个扭矩传感器、1个转角传感器，分别用于方向盘扭矩和方向盘转角位置的适时检测。

将2个传感器的扭矩和转角检测功能复合，集成于1个传感器，可以减少零部件数量，减少系统空间的占用，降低系统成本，使系统的空间布置更为灵活，进一步提高系统的可靠性。

电动助力转向系统的集成传感器有接触式和非接触式2种类型。

BI technologies公司的SX-4300A是接触式扭矩转角集成传感器的典型产品，接触式传感器的主要缺陷在于其接触式的触点，有接触噪声和磨损的问题，影响产品使用的稳定性、可靠性及使用寿命。

初步检索后，CN 104870958 B公开了一种非接触式扭矩转角集成传感器，其扭矩和转角的信号检测都是采用磁敏传感器原理，其带有永磁体的旋转传输元件在轴向方向上设置在边界元件之间。其旋转传输元件是转角检测单元的从动齿轮，其边界元件是扭矩检测单元的磁通汇聚环，由于从动齿轮的磁环与磁通汇聚环的径向间隙趋近于零，转角单元的磁路会对扭矩磁路产生比较显著的干扰，影响扭矩传感器的角分辨率。

磁敏传感器原理，是扭矩传感器原理和转角传感器的首选类型。但是，将2种检测功能集成为一体的传感器结构，必定存在扭矩磁路和转角磁路间的交互干扰。所以，有效抑制转角单元的磁路对扭矩磁路的干扰的新方案，是非接触式扭矩转角集成传感器的迫切需要。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，该技术方案通过改进集成传感器的空间构造，优化的结构设计，增大扭矩磁路和转角磁路的径向间隙，抑制2个传感器磁路间的交互干扰，使得集成传感器的扭矩信号具有更小的检测误差，更高的检测精度，显著提高了传感器的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，包括扭矩检测单元和转角检测单元，所述扭矩检测单元包括轴向充磁的多极磁环，磁通汇聚环，环形支架，磁通集束器和磁敏元件，所述转角检测单元包括主动齿轮，2个齿数不同的从动齿轮组件和磁敏元件，转角检测单元的主动齿轮的轴向位置设置在磁通汇聚环的下方，扭矩检测单元的磁通汇聚环之间，没有主/从齿轮的啮合交集。

当前，机动车的电动助力转向系统，普遍采用了2个单一检测功能的传感器，分别用于方向盘扭矩和方向盘转角的检测。扭矩传感器用于感知驾驶员施加于方向盘的扭矩信息，用于助力电机的控制，与扭矩对应的扭矩角范围通常为±5°左右；转角传感器用于感知方向盘的实时位置，用于方向盘的自动回正控制，转角传感器通常要求识别方向盘正反转5圈(±1800°)以上的实时位置。

鉴于磁敏技术具有结构简单、低成本、适用恶劣环境的诸多优势，单一检测功能的传感器都采用了磁敏传感原理。集成传感器将2种检测功能的磁敏传感器集合于1个狭小的空间内，转角传感器的磁场会对需要高分辨率的扭矩磁路发生干扰。所以，抑制转角传感器的磁场干扰是保证集成传感器品质的关键。

抑制转角传感器的磁场干扰有3个可选项，其可行性如下：1.选用低磁能积和小的磁体尺寸以降低转角传感器的磁场强度，这是已知技术已采用的方案，由于转角传感器的磁场强度不能无限度的降低，所以，没有进一步改进的可能。2.在扭矩磁路的磁通汇聚片与转角磁体间设置磁屏蔽构件，具体可见CN 104870958 B中的(51)。而实验表明，2个磁路间加设的屏蔽构件，反而增强了转角传感器的磁场对扭矩磁路的干扰。因为磁屏蔽构件的材料必须是导磁体，当磁场来自单一磁源时，屏蔽构件做为磁力线的低磁阻通道，可以显著降低磁力线对屏蔽构件以外的发散；当磁场来自不同磁源时，屏蔽构件就成为连接不同磁路间的低磁阻通道，会加大磁路间的互相干扰。所以，2个磁路间设置的磁屏蔽构件的方案不可行。3.加大扭矩磁路和转角磁体的径向间隙，由于磁场强度随距离按指数规律衰减,所以，加大径向间隙，是可以抑制转角传感器的磁场干扰的唯一可改进选项。

加大扭矩磁路和转角磁体的径向间隙，即是加大磁通汇聚环与从动齿轮组件的磁环间的径向间隙。由于主动齿轮与磁通汇聚环同轴安装在环形支架上，加大间隙需要增大主动齿轮的齿顶径，而增大主动齿轮的齿顶径的可行性取决于与主齿轮的轴向位置。以同轴安装的磁通汇聚环位置为参考，主齿轮的轴向位置有3个选项：1.将主齿轮的轴向位置设置在上磁通汇聚环101的上方。要求与主齿轮啮合的从动齿轮的轴向位置也要设置磁通汇聚环101的上方。从动齿轮的磁体工作面朝向有朝上和朝下2种状态：朝下时，从动齿轮的轴座须设置在传感器的上壳体，轴座须采用支撑从动齿轮重力的复杂构造；朝上时，磁敏元件(61,62)及PCB都要设置在磁体工作面的上方，即磁通汇聚环位置101的上方，而扭矩磁单元的敏元件(30)是设置在磁通汇聚环位置101和102之间，扭矩单元和转角单元的磁敏元件轴向位置不同，要采用2片PCB分别安装，不但增加了制造难度，还降低了传感器的可靠性。2.将主齿轮的轴向位置设置在磁通汇聚环之间。磁通汇聚环之间也是磁通集束器(103,104)和磁敏元件(30)的安装位置，增大主动齿轮的齿顶径时，为避免与扭矩磁路元件发生干涉，必须同时增大磁通集束器和磁敏元件的径向位置，使得传感器总成的径向尺寸同步增大。由于受到用户安装空间的限制，不具备可行性。3.将主齿轮的轴向位置设置在下磁通汇聚环102的下方。这个位置没有上述2个位置的空间限制和弊端。

可见，转角检测单元的主动齿轮的轴向位置设置在磁通汇聚环的下方，是实施抑制转角传感器的磁场干扰的技术方案的必要前提。

作为本发明的一种改进，所述转角检测单元的从动齿轮组件(51,52)包括从动齿轮(513,523)和磁环(512,522)，所述从动齿轮(513,523)的轴向位置设置在磁通汇聚环(102)的下方，与主动齿轮啮合转动。

作为本发明的一种改进，将转角检测单元齿轮的模数取0.7，主动齿轮与从动齿轮的传动比(传动比＝主动齿轮齿数/从动齿轮齿数)取值≥3.33，可以显著增大主动齿轮的外径，是加大磁通汇聚环与从动齿轮组件环形磁体间径向间隙的必要条件。模数取值0.7，传动比取值≥3.33，适用于电动助力转向系统对方向盘的转角范围的常规要求，转角范围可以达到±5圈(±1800°)以上。

作为本发明的一种改进，转角检测单元的从动齿轮组件环形磁体的径向位置在磁通汇聚环的外侧，磁通汇聚环与从动齿轮组件环形磁体间的最小径向间隙由0mm增大到2.5mm以上。已知的磁敏式扭矩转角集成传感器，为了抑制扭矩磁路和转角磁路间的交互干扰，在扭矩磁路的磁通汇聚片与转角磁体间设置了磁场的屏蔽构件，试图抑制扭矩磁路和转角磁路间的交互干扰。实验证明，2个磁路间加设的屏蔽构件非但没有屏蔽作用，反而会增大2个磁路间的交互干扰。扭矩磁路和转角磁体的径向间隙越小，干扰越大。只有加大扭矩磁路和转角磁路的径向间隙的方法，才是抑制磁路间干扰的唯一可行方法。本方案通过优化的结构设计，将2个磁路的最小径向间隙由0mm增大到2.5mm以上，可以使从动齿轮组件环形磁体的磁场对扭矩磁路的干扰降幅大于70％，扭矩传感器的角分辨率提高2倍以上。

作为本发明的一种改进，所述从动齿轮组件的环形磁环，具有1对径向充磁的磁极。1对磁极与多对磁极比较，其角转动造成的磁通变化最大，信号最强，有利于信噪比的优化。

作为本发明的一种改进，明确了磁敏元件位于转角检测单元的磁环上方，磁敏元件的敏感中心与磁环中心重合。鉴于检测角位移的磁敏元件由不同厂商制造，其敏感中心位置存在与几何中心重合或不重合2种状态，敏感中心与磁环中心重合是保证传感器性能的重要前提。

相对于现有技术，本发明的技术效果如下：1)本方案可以抑制集成传感器中2个磁路间的互扰，使扭矩角分辨率从0.02°提升到优于0.006°提高了传感器的扭矩检测精度；2)该技术方案将主动齿轮的轴向位置由磁通汇聚环之间改为磁通汇聚环的下方，主动齿轮的外径取值则没有与扭矩磁路的磁通集束器和磁敏元件发生干涉的限制，是在有限空间内实施磁干扰抑制的创新举措；3)该方案通过优化的结构设计，将2个磁路的最小径向间隙由0mm增大到2.5mm以上，在提升扭矩角分辨率的同时，还降低了干扰造成的扭矩角信号的波动(因为2个齿数不同的从动齿轮，其径向磁体的磁场指向随转角变化，所以转角磁场的干扰幅值会随转角动态变化)，优化了传感器扭矩信号的稳定性；4)该方案中所述从动齿轮组件的环形磁环，具有1对径向充磁的磁极，其角转动造成的磁通变化最大，信号最强，有利于信噪比的优化。5)该方案设计为磁敏元件的敏感中心与磁环中心重合，进一步保证传感器性能。

附图说明

图1是复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构的分解图；

图2是集成传感器的组装状态示意图1；

图3是集成传感器的组装状态示意图2；

图4是从动齿轮组件的磁敏元件安装位置示例1；

图5是从动齿轮组件的磁敏元件安装位置示例2。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，图1是复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构的分解图，包括扭矩检测单元和转角检测单元，所述扭矩检测单元包括轴向充磁的多极磁环10，磁通汇聚环101和102，环形支架20，磁通集束器103和104，磁敏元件30，所述转角检测单元包括主动齿轮40，2个齿数不同的从动齿轮组件51和52，磁敏元件61和62；扭矩检测单元的多极磁环10的轴孔安装在方向盘转向柱的输入轴上，磁通汇聚环101和102之间，设置磁通集束器103和104，磁敏元件30设置在磁通集束器103和104间的气隙中。

环形支架20的轴孔安装在方向盘转向柱的输出轴上，扭矩检测单元的磁通汇聚环102通过模塑方式固定在环形支架20上，主动齿轮40同轴设置在汇聚环102的下方，扭矩检测单元的磁通汇聚环之间，没有主/从齿轮的啮合交集；该技术方案中，主动齿轮的轴向位置由磁通汇聚环之间改为磁通汇聚环的下方，因为磁通汇聚环之间是扭矩检测单元的磁路通道，其间需要设置扭矩检测单元的磁通集束器和磁敏元件，当主动齿轮设置在磁通汇聚环之间时，则主/从齿轮必须在磁通汇聚环之间啮合交集，为避免主动齿轮与扭矩磁路的磁通集束器和磁敏元件发生干涉，则主动齿轮只能取较小的外径，使得扭矩磁路的磁通汇聚环与从动齿轮磁体间的径向间隙≈0，造成转角磁路对扭矩磁路的显著干扰。将主动齿轮的轴向位置由磁通汇聚环之间改为磁通汇聚环的下方，主动齿轮的外径取值则没有与扭矩磁路的磁通集束器和磁敏元件发生干涉的限制。

从动齿轮组件51和52，分别包括从动齿轮513,523和磁环512,522，从动齿轮513,523和磁环512,522通过模塑方式结合为一体的从动齿轮组件51和52。

图2是集成传感器的组装状态示意图1，组装后，磁通汇聚环101安装在环形支架20的上方卡槽内，从动齿轮513和523的轴向位置设置在磁通汇聚环102的下方，与主动齿轮40啮合转动。

该方案中，将转角检测单元齿轮的模数取0.7，主动齿轮与从动齿轮的传动比(传动比＝主动齿轮齿数/从动齿轮齿数)取值≥3.33，可以显著增大主动齿轮的外径，是加大磁通汇聚环与从动齿轮组件环形磁体间的径向间隙必要条件。模数取值0.7，传动比取值≥3.33，适用于电动助力转向系统对方向盘的转角范围的常规要求，转角范围可以达到±5圈(±1800°)以上。

图3是集成传感器的组装状态示意图2，磁通汇聚环101和102的采集齿轴向重合，d1和d2是磁通汇聚环101和102与从动齿轮组件51和52的磁环512和522间的径向间隙，本方案要求d1，d2的设计值≥2.5mm。

该方案中，转角检测单元的从动齿轮组件环形磁体的径向位置在磁通汇聚环的外侧，磁通汇聚环与从动齿轮组件环形磁体间的最小径向间隙由0mm增大到2.5mm以上。已知的磁敏式扭矩转角集成传感器，为了抑制扭矩磁路和转角磁路间的交互干扰，在扭矩磁路的磁通汇聚片与转角磁体间设置了磁场的屏蔽构件，试图抑制扭矩磁路和转角磁路间的交互干扰。由于屏蔽构件的材料只能是导磁体，所以，2个磁路间加设的屏蔽构件非但没有屏蔽作用，反而会增大2个磁路间的交互干扰。抑制磁路间干扰，有3个方法：1.减小转角单元的从动齿轮磁环尺寸。2.降低从动齿轮磁环的磁场强度。3.加大扭矩磁路和转角磁路的径向间隙。前2个方法，都会是转角单元的信号下降，影响转角单元的灵敏度和可靠性。只有第3个加大扭矩磁路和转角磁路的径向间隙的方法，才是抑制磁路间干扰的唯一可行方法。本方案通过优化的结构设计，将2个磁路的最小径向间隙由0mm增大到2.5mm以上，可以使从动齿轮组件环形磁体的磁场对扭矩磁路的干扰降幅大于70％，扭矩传感器的角分辨率提高2倍以上。

图4是从动齿轮组件的磁敏元件安装位置示例1，该示例中，IC的敏感中心A偏离几何中心，设计PCB的布局时，应使IC的敏感中心A与从动齿轮组件的磁环中心重合，以保证磁敏元件对磁环的角位移信号的高效采集。

图5是从动齿轮组件的磁敏元件安装位置示例2，该示例中，IC的敏感中心A即是几何中心，设计PCB的布局时，应使IC的敏感中心A设置在从动齿轮组件的磁环中心位置，以保证磁敏元件对磁环的角位移信号的高效采集。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，包括扭矩检测单元和转角检测单元，所述扭矩检测单元包括轴向充磁的多极磁环(10)，磁通汇聚环(101,102)，环形支架(20)，磁通集束器(103,104)和磁敏元件(30)，所述转角检测单元包括主动齿轮(40)，2个齿数不同的从动齿轮组件(51,52)和磁敏元件(61,62)，其特征在于，转角检测单元的主动齿轮(40)同轴设置在扭矩检测单元的环形支架(20)上，主动齿轮(40)的轴向位置设置在磁通汇聚环(102)的下方；扭矩检测单元的磁通汇聚环(101,102)之间，没有主/从齿轮的啮合交集。

2.根据权利要求1所述的复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，其特征在于，所述转角检测单元的从动齿轮组件(51,52)包括从动齿轮(513,523)和磁环(512,522)，所述从动齿轮(513,523)的轴向位置设置在磁通汇聚环(102)的下方，与主动齿轮啮合转动。

3.根据权利要求2所述的复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，其特征在于，所述转角检测单元齿轮的模数取0.7，主动齿轮(40)与从动齿轮(513,523)的传动比≥3.33。

4.根据权利要求3所述的复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，其特征在于，所述转角检测单元的从动齿轮组件(51,52)磁环(512,522)的径向位置在磁通汇聚环(101,102)的外侧，磁通汇聚环(101,102)与从动齿轮组件(51,52)的磁环(512,522)间的最小径向间隙(d1，d2)≥2.5mm。

5.根据权利要求4所述的复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，其特征在于，

所述从动齿轮组件(51,52)的磁环(512,522)，具有1对径向充磁的磁极。

6.根据权利要求5所述的复合了方向盘扭矩和转角检测功能的集成传感器结构，其特征在于，所述转角检测单元的磁敏元件(61,62)位于转角检测单元的磁环(512,522)上方，磁敏元件(511,521)的敏感中心A与磁环(512,522)的中心重合。

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