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1、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器綜述
摘 要:扭矩傳感器是汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接影響到EPS系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文介紹了目前具有代表性的幾種扭矩傳感器,同時(shí)預(yù)測了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);扭矩傳感器;電位計(jì)式;霍爾式;電感耦合式;光電式
1 概述
隨著人們對環(huán)保問題的日益重視以及汽車電子的迅猛發(fā)展,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering,EPS)這個(gè)集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的產(chǎn)品正越來越受到汽車廠商的重視。EPS與技術(shù)成熟的HPS相比,市場份額已初
2、具規(guī)模。目前全球汽車工業(yè)發(fā)展勢頭良好,尤其是在中國市場。汽車電子能夠極大提升汽車性能,多數(shù)汽車部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子化。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的重要組成部件,電子化也必將成為今后的必然趨勢。目前,在全世界汽車行業(yè)中,EPS系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長速度發(fā)展。國家發(fā)展改革委新修訂的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年本)》于2011年6月1日起開始實(shí)施。與上一版(2005年本)相比,新目錄在汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)部分做了較大調(diào)整。其中,汽車業(yè)的政策優(yōu)待程度“鼓勵(lì)類”中新增加了電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng),這表明未來EPS將得到國家相關(guān)政策的大力扶持。[1]
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,通過扭矩傳感器探測司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤產(chǎn)生
3、的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向,并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩,最后發(fā)出指令驅(qū)動電動機(jī)工作,電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。
2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器分類
按傳感器的敏感元件來分類,扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式扭矩傳感器應(yīng)用較廣泛的主要有兩種,一種是新躍儀表廠生產(chǎn)的懸臂梁式傳感器,一種是美國BI公司生產(chǎn)的雙圓盤式傳感器。非接觸式傳感器主要有基于MMT公司技術(shù)的霍爾式傳感器,代表性的公司有BOSCH公司、LG公司、BI公司、Val
4、eo公司,另外還有Hella公司設(shè)計(jì)的電感耦合式傳感器,Methode electronics公司設(shè)計(jì)的電容式傳感器,Lucas公司設(shè)計(jì)的光電式傳感器。
接觸式傳感器容易受溫度和磨損的影響而產(chǎn)生信號漂移,使用一段時(shí)間后傳感器的輸出性能會下降,還容易產(chǎn)生噪聲問題。但接觸式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉,因此在EPS系統(tǒng)中仍然被廣泛使用。非接觸式傳感器具有無磨損、無噪聲、耐久性可靠性高、遲滯小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。但相對于接觸式傳感器來說價(jià)格要高一些,在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用,其批量供貨情況還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前世界主流的EPS供應(yīng)商的產(chǎn)品中配套的都是非接觸式扭矩傳感器。因此,從長遠(yuǎn)來看,非接觸式的扭矩
5、傳感器必將取代接觸式的扭矩傳感器。目前非接觸式的國產(chǎn)傳感器還沒有能夠批量供貨的,對于國內(nèi)各傳感器廠商來說盡早推出這種形式的傳感器是一個(gè)機(jī)遇,也可以為擺脫我國多年來汽車電子產(chǎn)品“空心化”局面,拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)一份力量。
按傳感器的功能來分類,可以分為只輸出扭矩信號的傳感器(Torque Only Sensor,TOS)和扭矩信號和轉(zhuǎn)角信號集成的傳感器(Torque Angle Sensor,TAS)。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置。轉(zhuǎn)角信號對于回正和阻尼邏輯的開發(fā)十分重要,也可以供主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),自動泊車系統(tǒng),車輛穩(wěn)定系統(tǒng)等控制器使用。
選用TAS還
6、是TOS需要根據(jù)車輛的整體策略,以及整車廠對EPS的性能要求,在性能和價(jià)格之間做出權(quán)衡。如果對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求不是很高,則選用TOS即可,可以通過回正補(bǔ)償、回正力矩估計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行回正控制。如果整車廠對EPS的主動回正和阻尼控制性能要求較高,則必須要有轉(zhuǎn)角信號,轉(zhuǎn)角信號除了可以從集成了轉(zhuǎn)角信號的扭矩傳感器中獲得外,如果車輛中有電子穩(wěn)定程序(Electronic Stability Program,ESP),并且已經(jīng)有了轉(zhuǎn)向角度傳感器(Steering Angle Sensor,SAS),則轉(zhuǎn)角信號也可以從SAS獲得。
正是因?yàn)門AS和TOS的需求都存在
7、,所以目前很多傳感器供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候都會考慮模塊化設(shè)計(jì),即TAS是在TOS的基礎(chǔ)上增加角度檢測模塊,其他零件兩款傳感器可以共用。這樣盡可能的實(shí)現(xiàn)了零部件的通用花,可以有效的降低產(chǎn)品成本。
3 各類型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器介紹
?。?) 電位計(jì)式,該類型傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。通過電刷在碳膜電阻上位置的改變來輸出不同的電壓值。其缺點(diǎn)在于每一次使用的過程中都會導(dǎo)致電刷和碳膜電阻的磨損,經(jīng)過長時(shí)間的使用之后會降低精度乃至失效。在使用路況惡劣的條件下,更會加速傳感器的損壞,尤其在有較大振動的情況下,極端條件下會出現(xiàn)電刷與碳膜電阻脫開導(dǎo)致傳感器無信號輸
8、出的情況。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。代表性的產(chǎn)品為新躍儀表廠和美國BI公司生產(chǎn)的扭矩傳感器。電位計(jì)式扭矩傳感器輸出模擬信號,在設(shè)計(jì)ECU上的接口電路時(shí)只需進(jìn)行簡單的濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化。
?。?) 霍爾式,該類型傳感器應(yīng)用霍爾芯片測出與輸入、輸出軸相對角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由調(diào)制電流信號的占空比來表示。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示,[2]
a) 轉(zhuǎn)子為磁性材料,上面有多對磁極。與EPS中的輸入或者輸出軸連接。
b) 一對定子由軟鐵磁材料制成,彼此相對布置,與EPS中的輸出或者輸入軸連接。輸出、輸入軸通過扭桿連接在一起。
c) 一片或者兩片(冗余設(shè)計(jì))霍爾芯
9、片與傳感器殼體相連,安裝在定子之間的測試槽中。
該類傳感器目前在國外已成為EPS用扭矩傳感器的主流產(chǎn)品,也是國內(nèi)傳感器的主要發(fā)展趨勢。但是最先發(fā)明這款傳感器的MMT公司已經(jīng)率先申請了一系列的相關(guān)專利,要生產(chǎn)霍爾原理的扭矩傳感器首先需要支付一筆高昂的費(fèi)用給MMT公司來獲得專利使用許可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通過購買專利使用許可來獲得這一技術(shù)的使用權(quán)的。只有BOSCH公司通過將磁性材料由MMT公司的軸向布置改為徑向布置成功規(guī)避了MMT公司的專利保護(hù)。另外,傳感器中的核心部件:轉(zhuǎn)子(磁性材料),定子(軟鐵磁材料)由于國內(nèi)材料及加工水平的限制,還沒有合格的供應(yīng)商。這是該
10、類傳感器實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,實(shí)現(xiàn)國內(nèi)廣泛使用,首先需要解決的問題。 ?。?) 電感耦合式,同其他扭矩傳感器一樣,也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。在PCB上的定子由激勵(lì)線圈、3個(gè)感應(yīng)接受線圈和其他信號處理電子元件組成,轉(zhuǎn)子是一塊簡單的沖壓金屬片。
激勵(lì)線圈中的電流產(chǎn)生電磁場與轉(zhuǎn)子發(fā)生感應(yīng)耦合,轉(zhuǎn)子再與接受線圈發(fā)生二次感應(yīng)耦合,定子上的電壓幅值隨定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位置而變化,信號處理單元接收線圈的電壓信號,進(jìn)行整流、放大并成對地將其按比例輸出。
?。?) 光電式,其結(jié)構(gòu)如下圖所示,兩個(gè)光碼盤分別與輸入、輸出軸相連,輸入、輸出軸通過扭桿連接,當(dāng)扭桿受扭矩作用時(shí),兩光碼盤上的內(nèi)、外兩圈孔的重疊面積將
11、變化,從而光接收裝置的輸出電壓也變化,據(jù)此可以檢測出所施加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。
由于光電式傳感器對環(huán)境的要求比較高,對外部雜質(zhì)、粉塵等比較敏感,所以正在被霍爾式扭矩傳感器逐步替代。
4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢
隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展,對扭矩傳感器提出了更高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢:
1) 集成化,隨著車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展,除需要知道轉(zhuǎn)向盤力矩信號外,還迫切需要轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號,供EPS、AFS(Active Front Wheel Steering)和ESP(Electronic Stability Program)等控
12、制器使用。[3]集轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器功能于一體的多信號傳感器成為傳感器的發(fā)展趨勢。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置,轉(zhuǎn)角信號有利于EPS更好的實(shí)現(xiàn)回正控制。集成化可以更好地減少零部件數(shù)量、節(jié)省成本、節(jié)約內(nèi)部空間,使EPS系統(tǒng)內(nèi)布置更加緊湊。
2) 引入CAN總線技術(shù),可以向其他車載電子控制單元提供信號,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,減少汽車中傳感器的數(shù)量,促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
3) 可靠性、安全性更強(qiáng),從單功能向多功能發(fā)展,如包含自補(bǔ)償、自適應(yīng)、自診斷、信息存儲、記憶功能等。
參考文獻(xiàn):
1 邵麗青. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 汽車與配件. 2011-36(No.9)APA
2 Didier Angleviel. Development of a Contactless Hall effect torque sensor for Electric Power Steering, SAE Technical Paper Series. 2006-01-0939
3 余卓平,孟濤,陳慧,張立軍. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢. 汽車技術(shù).2005 第9期
作者簡介:
謝程 (1984年12月――),女,浙江,工學(xué)學(xué)士,研究方向?yàn)檐囉脗鞲衅骷夹g(shù)。