CN202350721U - 一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器 - Google Patents

Abstract

一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，提供了一种用在汽车电动助力转向系统的非接触式角度扭矩一体化传感器，包括角度测量部分和扭矩测量部分，角度测量采用多级齿轮变速产生角度差的原理，即主动齿轮带动两级从动齿轮；扭矩测量采用旋转磁极的方法，把磁铁安装在输入轴上，把磁感应部件做成环形带齿状，分上下两部分交错呈圆周均匀地布置输出轴上，使角度测量和扭矩测量更为简单和精准，采用可编程霍尔元件测量，使实时检测、调整和补偿更为简单，本实用新型能同时检测角度和扭矩，并把角度测量和扭矩测量集中在一起，方便整体布置，减少安装空间，节约成本。

Description

一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器

技术领域

本实用新型涉及汽车转向系统，具体为一种用在汽车电动助力转向系统的非接触式角度扭矩一体化传感器。

背景技术

汽车转向系统是汽车的一个重要底盘部件，牵涉到汽车的行驶性能。转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全，减轻驾驶员劳动强度有着重要作用。

转向系统是一种由电机提供助力能源的动力转向系统：当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU，ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流有大小，从而完成实时助力转向控制。因此它可以很容易地实现在车速不同时由电动机提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。

电动助目前国内电动助力转向系统（Electronic Power Steering简称EPS）的发展迅速， EPS的安全及技术的要求也更高，对传感器同样如此。

EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、助力电机及减速机构、ECU控制单元组成。一般EPS助力的大小只与车速相关，即常说的车速感应型。但随着EPS的发展，助力特性不止与车速有关还与方向盘转角相关，所以国外一些中、高档汽车的EPS除安装了扭矩传感器外还安装了转角传感器，可以根据转角位置提供不同助力大小，从而大幅度地改变助力平顺性及其他助力特性，特别要提出的是拓展了电动助力转向的主动回正功能。而集成了角度测量的扭矩传感器已成为EPS的重要组成部分。

国外转向系统厂家一般把转角和扭矩分成两个器件，布置在转向系统的不同位置，来进行测量，且目前无论是磁电式还是光电式，还是磁阻式，霍尔式等传感器内部元器件都没能集成一个整体，不能独立与转向系统单独工作，也就不能独立测试，给开发和诊断带来很不方便。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，以解决上述背景技术中的缺点。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，包括角度测量部分和扭矩测量部分，还包括可编程霍尔元件，其中，所述角度测量部分包括一个主动齿轮和从动齿轮I和从动齿轮II，主动齿轮靠紧输入轴，从动齿轮I与主动齿轮相螯合，从动齿轮II与从动齿轮I相螯合，可编程霍尔元件分别连接从动齿轮I和从动齿轮II；所述扭矩测量部分包括弹性轴、内支撑环、外支撑环、齿形感应环和弧形过渡环，弹性轴安装在输入轴和输出轴之间，内支撑环和输入轴上部相连，在内支撑环外圆周均匀分布有N/S相间的磁极，外支撑环与输出轴相连，上下各有一个齿形感应环交错的呈圆周均匀插入外支撑环上，所述弧形过渡环分别连接上下两个齿形感应环，并与可编程霍尔元件相连接，由磁极、齿形感应环、弧形过渡环与可编程霍尔元件形成一个磁回路。 

在角度测量部分中，所述从动齿轮I和从动齿轮II的齿数不一样多，则它们的转角不一样，因此可以凭借这个转角差来得出主动齿轮的转角，并相互校正。

所述可编程霍尔元件，集成外部电路及单片机、霍尔元器件一体，以减少外部干扰。由于采用可编程霍尔元件，所以扭矩传感器可实时对中，即调整传感器零点电位，也使实时补偿变的更为简单。

本实用新型的扭矩测量采用旋转磁极的方法，把磁铁安装在输入轴上，把磁感应部件做成环形带齿状，分上下两部分交错呈圆周均匀地布置输出轴上，这样使得感应磁场均匀。

在本实用新型中，所述一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器的各零部件集成为一体，封装在一个壳体内，包括上、中、下三部分，其中角度测量部分安装在上、中壳体之间，扭矩测量部分安装在中、下壳体之间。

有益效果：本实用新型结构简单、构思巧妙，角度测量采用多级齿轮变速产生角度差的原理，扭矩测量采用旋转磁极的方法，使角度测量和扭矩测量更为简单和精准，采用可编程霍尔元件测量，使实时检测、调整和补偿更为简单，本实用新型能同时检测角度和扭矩，并把角度测量和扭矩测量集中在一起，方便整体布置，减少安装空间，节约成本。

附图说明

图1 为本实用新型较佳实施例的结构示意图。

图2 为本实用新型较佳实施例的主视示意图。

图3 为本实用新型较佳实施例的后视示意图。

图4 为本实用新型较佳实施例的侧视示意图。

图5 为本实用新型较佳实施例的电气连接图。

图中：下壳体1、中壳体2、上壳体3、外支撑环4、齿形感应环5、磁极6、内支撑环7、弧形过渡环8、可编程霍尔元件9、扭矩信号处理电路10、主动齿轮11、从动齿轮I 12、从动齿轮II 13、霍尔盘14、圆形磁铁15、角度信号处理电路16、N/S磁极17、软磁铁18、电源19、电源管理模块20、霍尔片21、斩波稳定器22、采样保持滤波器23、温度补偿及间隙补偿模块24、输出放大器25、扭矩输出信号26、EEROM 27、A/D转换器28、滤波器29、微处理器30、CAN驱动器31、角度输出信号32。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1-5的一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，分为角度测量和扭矩测量两个部分，分成上、中、下三个壳体，上中壳体中间包含部分是角度测量，中下壳体中间包含部分是扭矩测量部分。角度测量采用齿轮变速产生角度差原理，即主动齿轮带动两级从动齿轮。主动齿轮安装在输入轴上部，当转向盘转动时，输入轴上部带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮Ⅰ转动，在由从动齿轮Ⅰ带动从动齿轮Ⅱ转动，由于两级从动齿轮齿数不一样，从而得出转角位置不一样，在利用两个齿轮的角度差得出主动齿轮的角度。当转向盘转动时，输入轴和输出轴之间有一弹性轴，由于受到一定扭矩，弹性轴就会产生一定的扭转变形，在弹性轴的上端和下端将产生一个转角差，由于弹性轴具有一定的扭转刚度，从而得出扭矩。扭矩测量采用霍尔磁感应原理。由于内支撑环与输入轴相连，而内支撑环上均匀的布满了N/S磁极，输出轴与外支撑环相连，上下两个齿形感应环交错地呈圆周均匀地插入外支撑环上。由于磁极的磁场影响，上下两个齿形感应环将感应到一定的磁感应，通过弧形环传递到可编程霍尔元件，最后由磁极与齿形感应环、弧形过渡环与可编程霍尔元件形成一个磁回路。当没有扭矩输入时，磁极产生的磁场在上下两个齿形感应环间产生的磁场达到相对平衡，通过电路及软件把这种相对平衡的磁场变换中点电压输出。当输入一定扭矩时，当输入轴和输出轴两端产生转角差时，内支撑环上的磁极将相对应齿形感应环产生相对转角，使得齿形感应环感应出磁场将发生变化，这种磁通变化通过弧形过渡环把磁场传递到可编程霍尔元件，最后通过相关电路输出扭矩信号。

本实用新型工作时，在角度测量部分，当转动方向盘时，输入轴带动主动齿轮11转动，从动齿轮Ⅰ 12跟着转动，从动齿轮Ⅱ 13也转动，由于主动齿轮11与从动齿轮Ⅰ 12和主动齿轮11与从动齿轮Ⅱ 13传动比不一样，故当输入一个转角到主动齿轮11时，从动齿轮Ⅰ 12和从动齿轮Ⅱ 13的输出转角也不一样，通过从动齿轮Ⅰ 12和从动齿轮Ⅱ 13转角的差值可测得主动齿轮11超过360°转角的测量。从动齿轮Ⅰ 12和从动齿轮Ⅱ 13中央安装有圆形磁铁15，齿轮上方安装霍尔片21，由于圆形磁铁15转动引起磁场转动，霍尔片21能检测出磁场的转动并输出模拟电压信号，经过滤波器28和A/D转换器后29转换成数字信号，然后输送到微处理器30进行差值运算，再输出到CAN驱动器31 然后就得到了角度输出信号32。

在扭矩测量部分，当转向盘转动时，输入轴和输出轴之间产生一个转角差，内支撑环7和输入轴上部相连，内支撑环7外圆周均匀分布有N/S相间的磁极6，输出轴与外支撑环4相连，上下两个齿形感应环5交错地呈圆周均匀地插入外支撑环4上。由于磁极的磁场影响，上下两个齿形感应环5将感应到一定的磁感应，通过弧形过渡环5传递到可编程霍尔元件9，最后由磁极6与齿形感应环5、弧形过渡环8与可编程霍尔元件9，形成一个磁回路。由于霍尔器件有在一定磁场环境下，变产生微弱的电压信号，通过斩波稳定器22，采样保持滤波电路23，输出稳定的微弱的电压信号。当没有扭矩输入时，磁极6产生的磁场在上下两个齿形感应环间产生的磁场达到相对平衡，此时输出稳定的微弱的电压信号，通过一定的软件把此电压信号定义为扭矩传感器的中点电压值，软件编好后存储在EEPROM 27中，最后微处理器30处理后经输出放大器25输出扭矩信号26，输出扭矩信号26则为正常使用的电压信号。当输入一定扭矩时，当输入轴和输出轴两端产生转角差时，内支撑环7上的磁极6将相对应齿形感应环5产生转角，使得齿形感应环5感应出磁场将发生变化，这种磁通变化通过弧形过渡环8把磁场传递到可编程霍尔元件9，这种磁场的变化最后通过上述电路输出放映扭矩信号。在上述电路中还将设有温度补偿及间隙补偿模块24，此模块设置在采样保持滤波器23和输出放大器25之间。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，包括角度测量部分和扭矩测量部分，其特征在于，还包括可编程霍尔元件，其中，所述角度测量部分包括一个主动齿轮和从动齿轮I和从动齿轮II，主动齿轮靠紧输入轴，从动齿轮I与主动齿轮相螯合，从动齿轮II与从动齿轮I相螯合，可编程霍尔元件分别连接从动齿轮I和从动齿轮II；所述扭矩测量部分包括弹性轴、内支撑环、外支撑环、齿形感应环和弧形过渡环，弹性轴安装在输入轴和输出轴之间，内支撑环和输入轴上部相连，在内支撑环外圆周均匀分布有N/S相间的磁极，外支撑环与输出轴相连，上下各有一个齿形感应环交错的呈圆周均匀插入外支撑环上，所述弧形过渡环分别连接上下两个齿形感应环，并与可编程霍尔元件相连接，由磁极、齿形感应环、弧形过渡环与可编程霍尔元件形成一个磁回路。

2.根据权利要求1所述的一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，其特征在于，所述从动齿轮I与从动齿轮II的齿数不一样多。

3.根据权利要求1所述的一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，其特征在于，所述可编程霍尔元件集成外部电路及单片机、霍尔元器件于一体。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器，其特征在于，所述一种集成角度扭矩于一体的电动助力转向系统传感器的各零部件集成为一体，封装在一个壳体内，包括上、中、下三部分，其中角度测量部分安装在上、中壳体之间，扭矩测量部分安装在中、下壳体之间。

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