CN113049155A - 互感式扭矩传感装置及转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互感式扭矩传感装置及转向系统，所述互感式扭矩传感装置包括：感应部件，用于感应因转动生成的电感信号；所述感应部件包括线圈骨架和差动线圈；所述差动线圈缠绕于所述线圈骨架上；调理电路，与所述感应部件连接，用于对所述电感信号进行转换处理，形成输出信号。本发明采用互感差动变压器原理，实现了非接触式测量，通过次级线圈的感应电动势变化准确测量转矩输入，具有成本低，信号稳，分辨率和灵敏度高的特点。

Description

互感式扭矩传感装置及转向系统

技术领域

本发明属于汽车电子的技术领域，涉及一种互感式扭矩传感装置，特别是涉及一种互感式扭矩传感装置及转向系统。

背景技术

互感差动变压器式扭矩传感器属于汽车电子技术领域，专门用于电动助力转向器中采集驾驶员施加在转向盘上的输入转矩，转化处理成电压信号供给转向控制器ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)。

现在比较普遍用于EPS(Electric Power Steering，电动助力转向系统)的扭矩传感器有三种：电位计式，电感式和磁阻式。电位计式扭矩传感器采用滑套机构将转角差转化为电位计摆臂摆动或电刷移动等而实现转矩测量。电感式传感器利用线圈的互感作用将位移转换成感应电动势的变化而实现转矩测量，具体包括可移动或转动铁芯以及两个次级线圈组成。磁阻式传感器利用非接触式磁性测量原理，采用磁阻芯片将磁通环在磁场中旋转直接转化为电压模拟信号而实现转矩测量。

电位计式扭矩传感器采用滑套机构将转角差转化为电位计摆臂摆动或电刷移动等而实现转矩测量，但由于采用的接触测量方式存在磨损而降低了可靠和耐久性能。电感式传感器的加工和制造要求不高，但在装配工艺上有一定难度。磁阻式传感器需要配套的控制器硬件电路修改，从而降低了通用性而增加了成本。

因此，如何提供一种互感式扭矩传感装置及转向系统，以解决现有技术无法提供一种成本较低且检测准确的扭矩传感装置等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种互感式扭矩传感装置及转向系统，用于解决现有技术无法提供一种成本较低且检测准确的扭矩传感装置的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种互感式扭矩传感装置，所述互感式扭矩传感装置包括：感应部件，用于感应因转动生成的电感信号；所述感应部件包括线圈骨架和差动线圈；所述差动线圈缠绕于所述线圈骨架上；调理电路，与所述感应部件连接，用于对所述电感信号进行转换处理，形成输出信号。

于本发明的一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：连接部件；所述连接部件包括线束；所述线束与所述差动线圈连接，用于传输所述电感信号。

于本发明的一实施例中，所述连接部件还包括接插器件；所述接插器件的一端用于连接所述线束，另一端用于连接所述调理电路。

于本发明的一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：屏蔽套，所述感应部件置于所述屏蔽套形成的屏蔽空间内；所述屏蔽套用于对所述感应部件整体进行屏蔽。

于本发明的一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：传感壳体；所述互感式扭矩传感装置设于所述传感壳体内，所述传感壳体设有安装孔，用于将封装后的所述互感式扭矩传感装置进行固定安装。

于本发明的一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：防水塞；所述防水塞设于所述传感壳体的出线位置，所述差动线圈由所述出线位置引出后与所述线束连接。

于本发明的一实施例中，所述调理电路包括零位标定器件：所述零位标定器件用于对所述互感式扭矩传感装置进行零位标定。

于本发明的一实施例中，所述调理电路包括温度补偿单元：所述温度补偿单元用于结合环境温度对所述电感信号进行补偿。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种转向系统，所述转向系统包括所述的互感式扭矩传感装置。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供，所述转向系统还包括：电子控制单元、电动机控制器和电动机；所述电子控制单元与所述互感式扭矩传感装置连接，用于根据所述互感式扭矩传感装置的输出信号输出助力转矩；所述电动机控制器分别与所述电子控制单元和所述电动机连接，用于根据所述助力转矩控制所述电动机进行转动。

如上所述，本发明所述的互感式扭矩传感装置及转向系统，具有以下有益效果：

采用互感差动变压器原理，实现了非接触式测量，通过次级线圈的感应电动势变化准确测量转矩输入，具有成本低，信号稳，分辨率和灵敏度高的特点。此外，将本发明的互感式扭矩传感装置应用于EPS中，可以基本满足EPS控制器对扭矩信号输入的要求。本发明采用了零部件最优化的设计方法，使得传感器的各部件具有数目少和参数匹配恰当的特点，现有的制造条件和材料能基本满足需要；线圈摒弃了原有整体注塑的工艺，而采用了分体加工后组装的方式，降低了制造的难度，实现了低成本的传感器设计目标。

附图说明

图1显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的结构原理示意图。

图2显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的结构原理图。

图3显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器线圈总成结构图。

图4显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的线圈骨架第一视图。

图5显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的线圈骨架第二视图。

图6显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器总成的线圈装配图。

图7显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器总成的解码板装配图。

图8显示为本发明的转向系统于一实施例中的电动助力转向总成结构图。

图9显示为本发明的转向系统于一实施例中的传感装置外表面示图。

图10显示为本发明的转向系统于一实施例中的减速结构图。

图11显示为本发明的转向系统于一实施例中的支撑固定结构图。

图12显示为本发明的转向系统于一实施例中的电机安装结构图。

图13显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的调理电路原理图。

图14显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的传感输出模块电路图。

图15显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的参考电压模块电路图。

图16显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的稳压模块电路图。

图17显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的差分模块电路图。

图18显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的解码模块电路图。

元件标号说明

1 互感式扭矩传感装置

11 感应部件

111 传感器线圈

112 线圈骨架屏蔽套

113 防水塞

114 线圈骨架

115 传感壳体

116 传感器线圈总成

117 输入轴轴承

118 旋转轴唇型密封圈

12 调理电路

121 十字槽盘头螺钉A

122 十字槽盘头螺钉B

123 解码器线路板

124 解码器盖板

125 解码器密封垫

126 十字槽盘头螺钉C

127 集成线束组件

13 连接部件

131 线束

132 三孔接插件

81 线束压板

82 十字槽盘头螺钉D

83 橡胶块固定夹

84 橡胶块

85 扎线扣

86 波纹管

87 电机插头

88 解码器插头

89 电机传感器插头

810 齿条防尘罩

811 小卡箍

812 大卡箍

813 内拉杆球头销总成

814 外拉杆球头销总成

815 传感器总成

816 六角法兰面螺栓

817 传感器O型圈

818 减速器总成

819 减速器O型圈

820 齿条

821 转向器壳体总成

822 齿条支撑座

823 齿条支撑座O型圈

824 压紧弹簧

825 调整螺塞

826 锁紧螺母

827 联轴器总成

828 电机O型圈

829 无刷电机

830 内六角圆柱头螺钉

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所述的互感式扭矩传感装置及转向系统采用互感差动变压器原理，实现了非接触式测量，通过次级线圈的感应电动势变化准确测量转矩输入，具有成本低，信号稳，分辨率和灵敏度高的特点。

以下将结合图1至图18详细阐述本实施例的一种互感式扭矩传感装置及转向系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的互感式扭矩传感装置及转向系统。

请参阅图1，显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的结构原理示意图。如图1所示，所述互感式扭矩传感装置包括：感应部件11和调理电路12。

所述感应部件11用于感应因转动生成的电感信号；所述感应部件包括线圈骨架和差动线圈；所述差动线圈缠绕于所述线圈骨架上。

所述调理电路12与所述感应部件11连接，用于对所述电感信号进行转换处理，形成输出信号。

请参阅图2，显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的结构原理图。如图2所示，所述互感式扭矩传感装置还包括：连接部件13。

所述连接部件13包括线束131和接插器件132.

所述线束131与所述差动线圈连接，用于传输所述电感信号。

所述接插器件132的一端用于连接所述线束131，另一端用于连接所述调理电路12。

于一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：屏蔽套，所述感应部件置于所述屏蔽套形成的屏蔽空间内；所述屏蔽套用于对所述感应部件整体进行屏蔽。

于一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：传感壳体；所述互感式扭矩传感装置设于所述传感壳体内，所述传感壳体设有安装孔，用于将封装后的所述互感式扭矩传感装置进行固定安装。

于一实施例中，所述互感式扭矩传感装置还包括：防水塞。

所述防水塞设于所述传感壳体的出线位置，所述差动线圈由所述出线位置引出后与所述线束连接。

于实际应用中，屏蔽套采用正反面防错标识；所述差动线圈的差动连接方式与屏蔽套同样有正反面防错标识；线束采用屏蔽线和防水塞设计，增强了传感器防水和电磁辐射的能力。

请参阅图3，显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器线圈总成结构图。如图3所示，所述互感式扭矩传感装置中，传感器线圈111缠绕于线圈骨架114上，通过线圈骨架屏蔽套112进行屏蔽。传感器线圈111的出线引出位置设置防水塞113。如图3所示，线束131采用热缩套管进行保护，接插器件132采用三孔接插件进行连接，三孔对应的三根线分别为主电感接入线、副电感接入线和共地线。

请参阅图4和图5，分别显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的线圈骨架第一视图和本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的线圈骨架第二视图。如图4所示，线圈骨架114采用绕线内卡槽和涂胶固定设计，避免了绕线无法固定和松脱现象，侧面开有工装固定孔而实现快速装夹。

请参阅图6，显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器总成的线圈装配图。如图6所示，传感器线圈总成116安装于传感壳体115的腔体内，传感壳体115的一端为输入轴轴承117，其中，输入轴轴承117通过旋转轴唇型密封圈进行密封。其中，图6中虚线区域内所示结构为断路环，断路环设置于传感器线圈总成116的环形内，在保证断路环轮廓处于环形区域内的条件下，本发明对断路环的尺寸与结构不作限定，可以是现有的断路环结构，也可以是保证扭矩检测原理实现的情况下在现有结构基础上进行的改进设计。

请参阅图7，显示为本发明的互感式扭矩传感装置于一实施例中的传感器总成的解码板装配图。如图7所示，十字槽盘头螺钉A121和十字槽盘头螺钉B122用于固定和封装传感器线圈总成和解码器电路板123。其中，解码器电路板123通过解码器盖板124、解码器密封垫125和十字槽盘头螺钉C126实现封装固定。通过集成线束组件127输出所检测转矩对应的电压信号。

如图7所示，本发明各部件的配合安装，具有如下优点和积极的效果：(1)克服了传统扭矩传感器的装配困难的问题；(2)降低了制造成本和装配工时；(3)提高了分辨率和灵敏度；(4)适应环境的温度变化范围宽；(5)调理电路设计具有零位自调节功能。

于实际应用中，将互感式扭矩传感装置应用于总成匹配过程中时可二次标定，在总成装配线上进行电对中标定后，如有小范围的偏差，还可重复使用解码器线路板上的调试电阻进行二次标定对中，从而提高了传感器的精度和良品率。

于实际应用中，将本发明所述的互感式扭动传感装置的技术参数进行列表管理，形成表1的技术参数表。

表1技术参数表

本发明所述的转向系统包括所述的互感式扭矩传感装置。

具体地，所述转向系统为EPS(Electric Power Steering，电动助力转向系统)。由此，可以很好地解决电动助力转向控制系统的驾驶员扭矩输入信号测量的需要，而实现扭矩和电流双闭环反馈控制系统，同时还考虑了工艺和成本因素的影响。

请参阅图8，显示为本发明的转向系统于一实施例中的电动助力转向总成结构图。如图8所示，传感器总成安装于EPS中时，传感器总成引出的线束通过线束压板81进行固定，整个传感器总成通过十字槽盘头螺钉D82实现固定。在输入轴上设有橡胶块84和橡胶块固定夹83，且通过扎线扣85实现线束的固定，其中，线束设有波纹管86，线束的出线端分别引出电机插头87、解码器插头88和电机传感器插头89。齿条820外侧设有齿条防尘罩810，转矩检测过程中的传动部件包括小卡箍811、大卡箍812、内拉杆球头销总成813和外拉杆球头销总成814。

请参阅图9和图10，分别显示为本发明的转向系统于一实施例中的传感装置外表面示图和本发明的转向系统于一实施例中的减速结构图。如图9所示，呈现了传感器总成815的整体结构设计。如图10所示，输入轴经过减速器进行传动，其中，传感器总成通过传感器O型圈817固定，减速器总成818通过减速器O型圈819固定，转向器壳体总成821中包括齿条820。

请参阅图11，显示为本发明的转向系统于一实施例中的支撑固定结构图。如图11所示，支撑固定结构包括齿条支撑座822、齿条支撑座O型圈823、压紧弹簧824、调整螺塞825和锁紧螺母826。

请参阅图12，显示为本发明的转向系统于一实施例中的电机安装结构图。如图12所示，根据互感式扭矩传感装置的输出信号控制无刷电机829转动，无刷电机829通过联轴器总成827将转矩传递至受控部件，实现电动助力转向。

请参阅图13，显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的调理电路原理图。如图13所示，所述调理电路12包括传感输出模块、参考电压模块、稳压模块、差分模块和解码模块。其中，传感输出模块用于引入外部供电电源12V和GND_1，输出互感式扭矩传感装置对转矩检测的输出信号MAIN_1和SUB_1。

请参阅图14至图18，分别显示为本发明的互感式扭矩传感装置及转向系统于一实施例中的传感输出模块电路图、参考电压模块电路图、稳压模块电路图、差分模块电路图和解码模块电路图。

如图14所示，解码模块输出的主电压信号MAIN和副电压信号SUB传入传感输出模块中，并通过接插件J3输出最终的主电压信号MAIN_1和副电压信号SUB_1。接插件J3从车中主控制器取电，并将12V和GND_1输入至后续电路中进行电压转换，生成VBAT。如图15所示，VBAT经过电压芯片变为参考电压VREF。如图16所示，是线圈供电电路，参考电压VREF经过稳压处理生成V+电压。其中，EP02与EP01是两个完全相同的斜率锯齿电压波，主要功能为两个线圈提供驱动电压，范围3-8V。

如图17所示，参考电压VREF和V+电压用于差分运算，生成XA信号和XB信号。EP01为感应模拟电压信号，参照Vref经过U1A比例放大，U1C比较转为满量程脉冲信号为XA，XB为XA经比较转为XA的反相脉冲信号；XA和XB脉冲信号输入主电路经两个三极管Q5和Q6轮换关断,实现扭矩信号的正反向判断功能。SG信号是EP01经过比例放大后的模拟电压信号，输入到主电路中通过Q1和Q2两个并联三极管的集电极放大分别形成主电压MAIN和副电压SUB，Q3和Q4为三极管用作二极管开关用。

如图18所示，所述调理电路包括零位标定器件：所述零位标定器件用于对所述互感式扭矩传感装置进行零位标定。由此实现了采用两个可变阻值的贴片电阻即可进行传感器的零位二次标定。具体为图18中的可调电阻V401和可调电阻V501。EP01为两线圈中任一线圈感应模拟电动势信号，是铁芯(对应传感器总成中的断路环，扭矩输入会带动断路环上下移动)在两个差动连接的通电Vref线圈中点上下移动时感应的mV级感应电动势。

所述调理电路包括温度补偿单元：所述温度补偿单元用于结合环境温度对所述电感信号进行补偿。具体地，采用桥式电路补偿环境温度对电感信号测量的影响。

其中，接插件J1连接传感器线圈，包括主电感输入、副电感输入和共地线，解码模块的输出信号为主电压信号MAIN和副电压信号SUB，并将主电压信号MAIN和副电压信号SUB传入传感输出模块中。

于一实施例中，所述转向系统还包括：电子控制单元、电动机控制器和电动机。

所述电子控制单元与所述互感式扭矩传感装置连接，用于根据所述互感式扭矩传感装置的输出信号输出助力转矩。

所述电动机控制器分别与所述电子控制单元和所述电动机连接，用于根据所述助力转矩控制所述电动机进行转动。

于实际应用中，所述转向系统为电动助力转向系统时，结合图3至图18所述部件，各结构部件的装配过程及原理如下：

(1)壳体准备：

根据解码器板、输入轴、断路环和线圈等零件的装配需要，设计一个全新的传感器壳体(传感壳体)。

(2)传感器准备：

准备好传感器总成，包括：解码器线路板，断路环，传感器线圈总成及线束(包括线束孔密封塞和固定支架)等。

(3)总成装配：

例如，互感扭矩传感器在一类直流电机助力转向器上的具体应用如下：

(3.1)线圈骨架的两等宽槽中绕匝数相同的两线圈并差接引出三相接插件，随后将其装入屏蔽套并涂胶密封得线圈总成。

(3.2)将线圈总成压装到传感器壳体内底部，且采用过盈配合。

(3.3)装配输入轴和小齿轮通过扭杆弹簧装配好后，从输入轴上端套入断路环，保证断路环能在输入轴转动时输入轴卡销能在断路环卡槽内自由上下移动。由此，断路环与传感器线圈形成电磁感应装置，断路环类似铁芯，在线圈缠绕平面的垂直方向上进行上下移动，因而产生电信号。

(3.4)转动输入轴并测试线圈的接线端输出电感量是否合格，然后将解码器电路板连接好线圈接插件后安装到传感器壳体侧面解码板安装盒，侧面开有线束孔。

(3.5)传感器线束信号输入端子穿过线束孔接在解码板上，密封孔并盖上盖板，固定线束支架并固定好线束。

(3.6)用控制器上电并标定传感器信号的输出，保证其正常工作。

本发明所述的转向系统与所述的互感式扭矩传感装置一一对应，且本发明所述的互感式扭矩传感装置和转向系统的实现装置包括但不限于本实施例列举的互感式扭矩传感装置和转向系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所述互感式扭矩传感装置及转向系统采用互感差动变压器原理，实现了非接触式测量，通过次级线圈的感应电动势变化准确测量转矩输入，具有成本低，信号稳，分辨率和灵敏度高的特点。此外，将本发明的互感式扭矩传感装置应用于EPS中，可以基本满足EPS控制器对扭矩信号输入的要求。本发明采用了零部件最优化的设计方法，使得传感器的各部件具有数目少和参数匹配恰当的特点，现有的制造条件和材料能基本满足需要；线圈摒弃了原有整体注塑的工艺，而采用了分体加工后组装的方式，降低了制造的难度，实现了低成本的传感器设计目标。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述互感式扭矩传感装置包括：

感应部件，用于感应因转动生成的电感信号；所述感应部件包括线圈骨架和差动线圈；所述差动线圈缠绕于所述线圈骨架上；

调理电路，与所述感应部件连接，用于对所述电感信号进行转换处理，形成输出信号。

2.根据权利要求1所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述互感式扭矩传感装置还包括：连接部件；

所述连接部件包括线束；所述线束与所述差动线圈连接，用于传输所述电感信号。

3.根据权利要求2所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述连接部件还包括接插器件；所述接插器件的一端用于连接所述线束，另一端用于连接所述调理电路。

4.根据权利要求1所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述互感式扭矩传感装置还包括：屏蔽套，所述感应部件置于所述屏蔽套形成的屏蔽空间内；所述屏蔽套用于对所述感应部件整体进行屏蔽。

5.根据权利要求2所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述互感式扭矩传感装置还包括：传感壳体；所述互感式扭矩传感装置设于所述传感壳体内，所述传感壳体设有安装孔，用于将封装后的所述互感式扭矩传感装置进行固定安装。

6.根据权利要求5所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述互感式扭矩传感装置还包括：防水塞；

所述防水塞设于所述传感壳体的出线位置，所述差动线圈由所述出线位置引出后与所述线束连接。

7.根据权利要求1所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述调理电路包括零位标定器件：

所述零位标定器件用于对所述互感式扭矩传感装置进行零位标定。

8.根据权利要求1所述的互感式扭矩传感装置，其特征在于，所述调理电路包括温度补偿单元：

所述温度补偿单元用于结合环境温度对所述电感信号进行补偿。

9.一种转向系统，其特征在于，所述转向系统包括如权利要求1至8任一项所述的互感式扭矩传感装置。

10.根据权利要求9所述的转向系统，其特征在于，所述转向系统还包括：电子控制单元、电动机控制器和电动机；

所述电子控制单元与所述互感式扭矩传感装置连接，用于根据所述互感式扭矩传感装置的输出信号输出助力转矩；

所述电动机控制器分别与所述电子控制单元和所述电动机连接，用于根据所述助力转矩控制所述电动机进行转动。

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