传感器论文

上海大学2016～2017学年冬季学期研究生课程考试

小论文

课程名称：传感器技术课程编号： 09Z118003

论文题目: 电动助力方向盘角度传感器

研究生姓名: 石成章学号: 16721828

论文评语:

成绩: 任课教师:

评阅日期:

电动助力方向盘角度传感器

石成章

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：论文通过研究角度传感器的应用现状，对目前市场上主要应用的角度传感器进行了介绍，并对各种角度传感器的优缺点作了对比分析。在把握当前传感器集成化和智能化发展趋势的前提下，提出了基于磁电效应的非接触式绝对角度传感器系统设计方案。文章给出了角度传感器系统的主要机械部件的设计方案，对传感器系统中行星齿轮的齿数和磁钢的选型以及安装位置进行了设计确定。

关键词：绝对角度传感器，集成化和智能化，磁电效应，磁性角度编码器

Electric power steering wheel angle sensor

SHI Cheng-zhang

(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: In this paper, the angle sensor of the main application on the market is introduced by studying the application status of the angle sensor, and the advantages and disadvantages of the various angle sensors are compared and analyzed. Based on the current sensor integrated and intelligent development trend, the design scheme of non - contact absolute angle sensor system based on magnetoelectric effect is proposed. The design scheme of the main mechanical parts of the angle sensor system is given, and the number of teeth of the planetary gear and the selection and installation position of the magnet are determined.

Key words:absolute angle sensor；integrated and intelligent；magnetoelectric effect；magnetic angle encoder

1前言

在国内，汽车传感器的研发和生产还没有形成独立的配套产业链，大多数都是依附于汽车仪表企业，因此还不能满足国内整车企业对汽车传感器的配套需求。方向盘转角传感器作为近几年刚刚兴起的汽车电动助力转向系统的主要传感器之一，国内对于它的研发也就少之又少，目前主要采取国外进口或者中外合作的方式。目前，对于一些更高性能的汽车传感器主要采取进口的方式，光传感器的进口数大约每年在100万套左右，因此研究和开发各类先进的高性能的车用传感器，尤其是对于新型汽车方向盘转角传感器开发和研究刻不容缓，这也是促使国内汽车传感器形成产业化的重要措施之一。

2角度传感器的敏感元件

2.1方向盘角度传感器概述

方向盘转角传感器，既是汽车电动助力转向系统（的重要组成部分又是汽车动力学车身稳定控制的重要组成部分。

方向盘旋转角度传感器是电动助力转向系统控制器的重要输入信号之一，它承担着实时检测方向盘转动角度的重任，它的作用是向电动助力转向系统的电子控制单元提供方向盘转动的绝对角度信号，系统的控制器根据转角传感器的方向盘角度信号和系统中其他的传感器信号（如车速信号和转矩信号）控制助力电机产生相应的助力，为驾驶员的转向提供相应的

助力使方向盘的转动变得轻便气因此，方向盘转角传感器的性能好坏对汽车方向盘的操纵舒适性和行车的安全具有直接的控制作用。转角传感器在工业中又被称之为旋转编码器（模拟数字）。方向盘角度传感器通常安装在方向盘的转向管柱处，如图常见方向盘角度传感器的安装示意图和安装结构图。

图2-1方向盘角度传感器的安装位置和结构

2.2系统选用的角度敏感元件

传统汽车电动助力转向装置上应用的角度传感器主要是依据电阻分压原理的接触式角

度传感器。由于接触式角度传感器在工作中存在着机械摩擦，这势必会造成传感器的机械磨损降低传感器的使用寿命和测量精度，另外接触式转角传感器还存在着抗振动能力差，体积较大、不便于安装以及造价相对昂贵的缺点。因此，这种接触式传感器很快就被后来的非接触式传感器所取代。目前，国内外中、高级汽车电动助力转向系统上普遍采用非接触式方向盘转角传感器，非接触式角度传感器的最大优点莫过于没有机械磨损。另外，与传统接触式相比，非接触式转角传感器还具有体积小，造价低，测量精度高，反应速度快，抗干扰能力强以及使用寿命长的优点。

目前，在汽车电动助力转向装置中广泛应用的非接触式方向盘角度传感器主要有：磁电

感应式，光电编码式。其中又以霍尔感应式最为常见。

基于上文对各种角度传感器的对比和分析，本文选用基于磁电效应理论的非接触式角度

传感器作为方向盘绝对角度传感器的敏感元件。本文拟选用公司生产的集成芯片作为角度传感器系统的敏感元件。集成芯片能够检测到外部磁场方向在°的角度范围，比通常的角度传感器的测量范围大了很多。

2.2.1角度传感器磁钢（永磁铁）的选择方案

1)剩余磁通密度Br

由于永磁材料在外磁场的反复磁化的过程中存在着磁滞的现象，即永磁材料的磁感应强

度的变化总是滞后于外磁场的磁场强度变化。假若在永磁材料的磁场强度在外磁场的磁化作用下达到饱和状态后立刻撤掉外磁场，此时磁滞现象的存在，永磁体的磁通密度并不会完全消失，我们称此时永磁体剩余的磁感应强度为剩余磁通密度Br 。通俗的说，剩磁就是被磁化后的磁铁，在外磁场消失的情况下仍保存的磁感应强度。

剩余磁通密度Br 的大小反映了永磁材料能够向外界提供磁场的能力，越大意味着永磁

体的性能越好。

2)磁能积()H B ?和最大磁能积()max H B ?

磁能积()H B ?，是指在永磁体退磁曲线的任一点的磁场强度(H)与该点对应的磁通密

度(B)的乘积，它是衡量永磁材料能够对外提供的磁场能量大小的最有效参数。顾名思义，

最大磁能积()

max

H

B?

是指磁场强度与对应磁通密度乘积的最大值。永磁体的体积与最大磁

能积成反比，相同材料的永磁体体积越小，存储磁场能量的能力越强。

3)矫顽力bHc

在工业生产中，有时为了使己经被磁化过的永磁铁完全退磁，我们会在永磁铁（磁性材料）的周围放置一反方向磁场，当反向磁场的磁场强度能够完全抵消点磁铁的磁性时，我们把此时反向磁场强度的大小，称为磁铁的矫顽力(bHc)。通俗的说，矫顽力是指将处于饱和磁通密度状态的永磁体完全消磁所需要的反向磁场的强度。矫顽力是衡量永磁体抵抗外部磁场干扰能力的主要参数。矫顽力越大，永磁体抗磁干扰的能力越强，永磁体的性能就越稳定。

4)居里温度Tc

居里温度是磁铁特有的一种物理属性，当磁铁的温度达到一定的临界值后，会出现磁铁的磁性消失现象，这一点的临界温度就是居里温度。居里温度通俗的说就是永磁体的磁性转折点，它是衡量永磁体温度稳定性的一个重要参数。每种磁性材料都有自己的距离温度，当磁性材料的温度超过居里温度时，磁性材料的磁性会发生质的改变，即由铁磁性变为顺磁性。

居里温度，同时也是表征磁性材料磁性变化的重要指标。随着温度的升高磁性材料的磁化强度会下降，这样，每个由磁性材料构成的磁性元件在工作时都会存在着上限温度，因此只有保证磁性元件工作时的温度不要超过居里温度，电路中的磁性元件才会正常工作。因此，居里温度为我们选择磁性材料提供了一个重要的性能参数。

2.2.2传感器永磁材料的选择

在角度传感器系统中，永磁铁（磁钢）是磁阻芯片感应外磁场的惟一来源，因此永磁铁的性能好坏以及安装位置对角度传感器的性能有很大的影响。角度传感器用典型磁铁及其磁场的分布情况如图1-2。

对于磁铁（磁钢）永磁材料的选择，我们考虑的因素有很多，首先我们要考虑的是永磁体的自身属性，如永磁体的磁能积，最大磁能积，剩余磁感应强度和永磁体的矫顽力等。另外，磁铁的形状、体积和质量对永磁体的性能也有很大影响。参考磁铁的性质我们可以知道，圆形磁钢上任意点的磁场强度会随着距离原点（中心点）而变大，并且在磁铁边缘处通常达到最大值。因此，较小体积的磁铁在这个距中心点腳半径的圆周上产生的磁场大于较大体积的磁铁。为了使霍尔式磁敏感元件的性能得到完美的发挥实现传感器的高性能，因此在磁铁的选择上应当选择较大体积的磁铁，因为必须通常较大磁铁具有较强的磁场属性，另外，磁铁与传感器敏感元件（芯片）的距离对传感器的性能也有较大的影响，在保证充足的磁场气息的前提下，二者的距离越近敏感元件的测量灵敏度越高（标准间隙为0.5mm—1.8mm之间）。

图2-2方向盘角度传感器的安装位置及结构

目前，在工业上生产中应用较广泛的永磁材料有：铁氧体，钕铁硼，镍钴等。表2-1

给出了几种常用永磁材料的特性。

表2-1 常用永磁材料性能参数

结合上述永磁材料的对比分析和角度传感器对永磁材料的性能要求，本文选用由钕铁硼

合金制成的圆形磁钢。磁钢的具体参数见下表2-2。

2.2.3 系统磁钢的安装位置

由上文对永磁材料的性能分析，可知圆形磁钢上任意点的磁场强度会随着距离原点（中

心点）而变大，并且在磁铁边缘处通常达到最大值。在磁钢的尺寸和材料选择好后，接下来是系统中磁钢安装位置的确定，在本文设计的方向盘角度传感器结构中，2个圆形磁钢被固定在传感器行星齿轮结构中的两个从动齿轮的中心，如图2-3。

图2-3方向盘角度传感器结构图

由于磁场在任意一点的磁场强度会不同，这样处在磁场中的敏感元件感知到的磁场也会

不同。因此对于磁钢与磁敏感芯片的相对位置上，我们应当使二者保持在相互平行的平面内。即在制作板时对于两片磁敏感元件的排列位置应与行星齿轮的个从动轮的中心点保持过其垂直平面的关系。

因此，角度传感器结构系统中应在保证不影响行星齿轮传动机构工作的情况下，磁钢与

电路板的距离的垂直距离越近越好。

2.3旋转角度的相位差检测法

国内外对于方向盘转角信号的测量，目前主要采用转角信号相位差的数字化测量方法。在过去，对于角度的相位差测量主要有矢量法、二极管鉴相法、乘法器计数法和脉冲计数法，这些方法的实现需要借助由专用电子模拟元件构成的硬件电路来完成。因此，这些方法存在着测量电路复杂，电路制造成本较高，抗干扰能力差的缺点，导致系统的 3.3 测量精度降低。

伴随着数字信号处理技术和微电子技术的不断发展和成熟，传统的电子模拟式相位差测

量法已被新型的数字化测量技术所取代。数字化测量的原理：对两只传感器的输出信号的瞬时值进行采样，通过软件实现对采样信号的分析和处理，从而得出角度信号的相位差。与传统的电子模拟式相位差算法相比，基于软件的数字化相位差测量法具有以下优点。

1)测量精度高。

2)适应性强，对于不同的测量对象只需要改变软件的程序。

3)硬件制造成本低。

目前，广泛应用的基于数字化测量的相位差算法主要有数字相关法，过零检测法和频谱

分析法。

2.3.1 相位差数字相关法算法

数字相关分析法的基本原理是：对于两个频率相同的正弦相关函数，二者在零时刻的值

与二者相位差的余弦值成正比，通过此来获得两列正弦信号的相位差，这种方法具有较强的抗噪声能力。

假设两个频率相同的被测正弦信号分别为()t x ()t y

()()()t N t A t x x ++=2sin θω (2-1)

()()()t N t B t x y ++=2sin θω (2-2)

式中，A 、B 分别为()t x 、()t y 信号的幅值，()()t N t N y x ,分别为()t x 、()t y 信号的噪

声。对()t x 、()t y 进行相关运算，有

()()()()()[]()()[]

{}dt t N t B x N t A T dt t y t x T R y T x T xy τθτωθωττ++++++=+=*??2010

sin sin 11 (2-3) 当时0=τ，有：

()()()[]()()[]

{}dt t N t B x N t A T R y T x xy +++++=*?201sin sin 10θτωθ

ω (2-4) 利用三角函数相关特性及正交性可将上式变为：

()()21cos 2

0θθ-=AB R xy (2-5) 那么相位差21-θθ?=?为：

()02arccos xy R AB

=?? (2-6) 由上式—我们可以看出，??的大小与两个信号的幅值成反比关系，与两个信号在零时刻的相关函数()0xy R 成正比关系。因此，只要获得信号的幅值A ，B 和相关函数()0xy R ，我们就可以通过计算求出两个正弦信号的相位差。

对于正弦信号()()(),sin 2t N t A t x x ++=θω它的自相关函数为

()()()dt t x t x T R x τττ

+=?0

1 (2-7) 当0=τ时， ()()()[]dt t A dt t x T R ??+==ττθω0

102sin 10 (2-8) 因此，综合上述各式我们可以求得，两个信号的幅值分别为()()02,02y x R B R A == 在实际的工程应用中，我们采用采样信号的离散点来计算采样信号的自相关函数和互相关函数。它的计算公式如下：

()()

()()

()()()()()()??????

???????=?===∑∑∑------000arccos 10101010102102y x xy N N x N N x N N x R R R n y n x N R n y N R n x N R ? (2-9) 式1-9中，为离散信号的采样点数，()t x 、()t y ，分别为两个信号分别在第n 个采样点的值。

通过以上分析，我们可以看出数字相关算法的优点在于：具有很强的抗干扰能力，它能够最大限度的抑制信号中噪声的干扰和采样信号转换中的直流偏移现象。缺点是检测到的弦信号受噪声信号的干扰影响比较大。此外，该方法要求对周期信号实行严格整周期采样，且难以消除谐波干扰。

2.3.2 相位差过零检测法

过零检测相位差的原理是：依据正弦信号的时间差和相位差的转换原理，对采样的两个同频信号的经过零点的时间进行标记，然后将两个采样信号的时间差转化为对应的相位差。过零法检测相位差的原理如图2-4。

图2-4过零法原理图

用过零法检测相位差的方法的关键是对采样后的离散数据过零的准确判断，采样的两个

信号是连续的同频信号，因此我们只要得到对两个连续信号经过零点的时刻，就能够计算出出两个信号的相位差，计算公式为：

360??=?T

t ? (2-10) 式中t ?，过零点的时间差，T 为信号的周期，??为信号的相位差。

影响过零检测法的误差内部因素主要有信号的幅值，模数采样的频率以及模数采样信号

的为数等。另外，外部噪声和谐波的干扰对过零点相位差的检测精度也具有很大的影响。

2.3.3 相位差频谱分析法

相位差的频谱分析法也就是我们通常说的傅里叶变换谱分析法，它的基本原理是通过对

输入信号进行傅里叶级数的分析，通过分析获得采样信号的基本波形的参数，然后计算出两个输入信号的相位差。

我们假设输入信号()t x 为输入信号的周期和频率分别为T,f 。采样信号的频率为s f ，则

长度为N 的采样序列()t x 的傅里叶变换为：

()()()????????? ??-??? ???==

∑∑-=--=n N k j N k n x e n x k X N n N j N N πππ2sin 2cos 1

0210 ()[]()[]k X I k X R m e += (2-11)

如果对上式中()k x 最大谱线对应的记作m ，那么输入信号的基准频率f0为F m ?，其

中F=fs 为傅里叶函数的频率分辨率。那么，信号的基准频率的计算公式如下：

[][]()[]

m X m X I m Re arctan =θ (2-12) 通过上式2-12，我们可以分别计算出两路输入信号的相位角1θ和2θ，从而计算出两路

信号的相位差21-θθ?=?。

3系统的结构设计与测量方法

目前，对于方向盘角度的测量主要有方向盘相对角度测量和方向盘绝对角度测量两种。方向盘的绝对转角是指传感器掉电后，方向盘转动一定的角度，在传感器上电后仍能反映出此时的方向盘转角，而不是掉电前的方向盘的转角。然而电动助力系统的电子控制器需要的是方向盘的绝对角度信号。因此，目前对于方向盘角度传感器的设计上主要以非接触式的方向盘相对角度传感器与信号处理电路相结合的绝对角度测量为主。

由于方向盘在转动时比较灵活且旋转圈数高达四圈，角度范围变化比较大从

720

-，因此常用的转角传感器难以满足方向盘角度测量的需求。通常转角传感器~

720

360的范围内，因此仅能够实现方向盘单圈角度的测量。

的测量范围一般在

目前，对于实现方向盘转角多圈测量的方法主要有两种。第一种方法是：在角度传感器系统中添加圈数计数器，通过角度传感器和圈数计数器实现方向盘多圈转角的测量，但是这种方法的缺点是一旦系统掉电，圈数计数器将会终止工作。第二种方法是：将方向盘的多圈转动通过齿轮减速机构或者涡轮蜗杆减速机构变为单圈转动。最显而易见的方式就是在方向盘转轴上加一个的从动大齿轮，当方向盘转四周时，从动大齿轮转一周。这种方法的缺陷是会大大增加传感器的体积，并且降低了传感器的测量精度。

3.1传感器系统的机械结构与工作原理

本文设计的方向盘绝对角度传感器主要由两大部分构成：传感器的机械结构设计和传感器信号处理电路的设计。传感器机械结构部分主要由个非接触式磁性角度编码器，固定在个从动齿轮中心上的个圆形磁钢，固定在方向盘转向管柱上的主动齿轮(齿数记MA)为与主动齿轮相啮合的从动大齿轮(齿数记为MB)和从动小齿轮齿数记为组成，其中齿数MC）>。

MA>

MB

MC

图3-1方向盘角度传感器三维结构图

传感器系统中采用一个主动齿轮与两个从动齿轮相啮合的特殊机械结构，如图。系统的基本原理是：当驾驶员转动方向盘时，会带动安装在转向管柱上的方向盘角度传感器的主动齿轮的旋转，从而带动从动齿轮和从动齿轮的旋转，此时安装在两个从动齿轮上的圆形磁钢会伴随着从动齿轮的旋转而保持同步转动，磁钢上方的两个磁敏元件会将检测到磁钢的角度信号的变化，进而经过信号处理电路的处理计算出方向盘绝对角度的变化。

3.2系统行星齿轮的齿数的确定

为保证角度传感器系统中（如图3-1），行星齿轮的主动齿轮和个从动齿轮在转动过程中始终保持角度的一一对应关系，行星齿轮的结构应满足下式：

360360360

? ????-??B A C A m n m m n m (3-1) 式中，C B A m m m ,,分别为行星齿轮的主动轮A ，从动轮B 和从动轮C 的齿数且满足

C B A m m m >>。n 为主动齿轮转过的圈数 360??B A m n m 和 360??C

A m n m 分别为2个从动轮

B 和

C 转过的角度，对式1-13进行整理，可得：

1

B C B A m m m m n m (3-2) 由式3-2可知，当两个从动齿轮的齿数越接近时，转角传感器的量程n 越大。主动轮和

两个从动轮的齿数比值越大时，传感器的体积越小。因此，在行星齿轮两个从动齿轮的设计上应在条件允许的情况下，尽量使二者的齿数接近。

综合上面对行星齿轮结构的分析下，在满足最佳行星结构的要求下，系统选取的行星齿

轮的齿数分别26,28,52===C B A m m m 。将26,28,42===C B A m m m 代入式1-14中，此时n<14，即能够实现方向盘旋转13圈的角度测量。本系统的设计要求为实现方向盘13圈的角度测量，因此上面对行星齿轮齿数的设计满足角度传感器的设计要求。

3.3系统绝对角度的测量原理

为了在实现简化软件计算程序的同时得到方向盘在整个行程内的绝对角度值，本文对钟

表齿轮机械的原理做了一定的研究，在参考了德国博世公司设计的LSW3和LSW5系列方向盘绝对角度传感器的基础上，本文采用了一个主动齿轮同时与两个从动齿轮相啮合的设计方案。系统中将行星齿轮的主动轮安装在方向盘的转向管柱上，伴随着方向盘的旋转带动行星齿轮的两个从动轮转动，通过安装在行星齿轮上的两片巨磁阻芯片来分别检测行星齿轮中两个从动论转过的相对转角，然后利用转角相位差测量的方法计算出方向盘的绝对角度。

AS5043是一种无接触式磁性角度编码器，可以精确测量高达360°范围内的角度。在单

个器件内整合了集成式Hall 元件、模拟前端和数字信号处理功能。Hall 元件感应磁场的变化并输出一个能够代表垂直于表面的磁场的电压，模拟前端采样该电压值并传送到数字信号处理模块。数字信号处理模块通过计算阵列信号的幅值得到位分辨率的角度信息，并通过同歩串行接口（SSI ）输出。

方向盘的转动角度行程为±720°而芯片的测试范围仅为360°因此方向盘每转过

360°，数字输出量将会产生一次跃变，在程序中就需要通过算法来判断跃变的次数从而确定方向盘转过的圈数。由于跃变发生的时间很短，在程序上要实现准确判断跃变是否发生存在较大的困难，而且一旦程序不稳定，将会使计算出的方向盘角度值出现很大的误差。

图3-2双齿轮信号输出

图3-3差值信号输出

由于两个从动齿轮的齿数不同，即C B m m 因此AS5043的输出信号为两列幅值相同、

频率不同的锯齿波，如图3-2所示。对两列锯齿波进行差值处理后，得到如图3-3所示的信号输出。

在方向盘0~±180°，±180°~土360°，±360°~土540°，±540°~土720°角度

范围内分别通过差值的大小的即可得到方向盘转动的角度。这种设计无需圈数计数器，大大简化了软件程序，进而提高了整个系统的可靠性。

当将磁铁安装在AS5043上方时，数字量输出按顺时针方向增加，可以通过输出值的变

化规律判断方向盘转动方向。由于磁铁在安装时是随意的，并没有固定磁铁极N-S 与磁性角度编码器的相对位置，而且传感器在转向管柱上的安装也会存在误差，因此，回正零点的校准成为保证传感器测量精度的关键。当传感器安装在方向盘管柱上时，磁铁与主动齿轮的相对位置确定，此时将方向盘回正，通过外部按键产生中断，控制单片机程序读取此时两个AS5043芯片的值作为初值，此后取得的角度值都要减去初值。这样，通过软件算法就可以得到方向盘某一时刻相对于回正位置的转动角度即方向盘的绝对角度。

4 结论

本文的主要工作是设计一款能够实时、准确测量电动助力转向（系统方向盘绝对旋转角

度的传感器。

基于非接触式绝对角度传感器的设计思路，文章首先对角度传感器的基本工作机理做了

相关的研究，通过对目前市场上常见角度传感器的工作机理的研究和性能比较入手，本文最终选取磁敏感传感器（AS5043）作为方向盘角度传感器系统的信号采集部分。

为了实现对方向盘绝对角度传感器的测量，本文在参考了博世公司生产的系列方向盘绝

对角度传感器的基础上，设计了基于行星齿轮结构（个主动齿轮与两个从动齿轮啮合）的角度测量方案。并对齿轮结构的可行性和科学性进行了一定的阐述。

选择合适的磁钢，对影响磁钢性能的因素做了分析和研究，并根据传感器敏感元件对磁

钢的性能和安装位置的要求，对磁钢的结构和体积以及安装位置做了想尽的阐述。

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