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轉向扭矩傳感器淺析

信息來(lái)源: http://www.358393.com  時(shí)間:2022-3-5 16:56:16 

本文將對應用于電動(dòng)助力轉向系統的扭矩傳感器的分類(lèi)、工作原理、性能指標及系統匹配展開(kāi)闡述。

1、扭矩傳感器概述
傳感器是根據規定的被測量的大小,定量提供有用的電輸出信號的部件,狹義來(lái)講, 傳感器就是把光、時(shí)間、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學(xué)量轉換成電信號的變換器。 
應用于電動(dòng)助力轉向系統的扭矩傳感器就是通過(guò)特定的敏感元件,將轉矩物理量轉 換成電信號,并集成有信號處理電路的變換器,如圖 2 所示。
扭矩傳感器與扭桿組裝在一起構成扭矩傳感器總成,方向盤(pán)轉動(dòng)時(shí),扭桿與扭矩傳 感器的上半部分和下半部分存在一個(gè)相對偏轉角,扭矩傳感器就是通過(guò)檢測這個(gè)相對轉角來(lái)測量方向盤(pán)力矩的。如圖 3 所示。 
2、分類(lèi) 
按照內部結構分類(lèi)可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器,如表 1 所示。 
接觸式傳感器由于傳感元件之間一直存在滑動(dòng)摩擦,因此在使用過(guò)程中容易受到磨 損老化,出現測量信號不準確甚至報錯的情況。這種類(lèi)型的傳感器已經(jīng)逐漸被淘汰,非接觸式傳感器成為市場(chǎng)主流。 
本文主要介紹應用較為廣泛的非接觸式 扭矩傳感器:霍爾式扭矩傳感器。 
3、工作原理 
該扭矩傳感器通過(guò)霍爾效應在導體的兩端產(chǎn)生電勢差。主要由定子分總成、轉子分 總成、上端蓋、下端蓋、集磁極、Hall IC 組成。轉子由多級磁鐵組成,固定在輸入軸上, 主要是提供磁場(chǎng)。定子上裝有磁軛(導磁率比較高的金屬材料),固定在下端蓋上,下端蓋與殼體固定。當方向盤(pán)向左轉動(dòng)時(shí),傳感器扭桿發(fā)生扭轉變形,導致轉子和定子發(fā)生轉動(dòng),使得上下磁軛與多級磁鐵發(fā)生錯動(dòng), 磁通量從 N 極至 S 極,Hall IC 接收到磁通。如果轉子與定子反方向相對位移,Hall IC 也接收反向的磁通。磁通的變化經(jīng)過(guò)霍爾 IC 轉換為相應的電壓變化,從而測量出相應的扭矩大小和方向。如圖 4 所示。
當方向盤(pán)在中間位置時(shí),磁通量為零。當方向盤(pán)左轉(+4.5°),磁通量高斯值為 550(示例)。當方向盤(pán)右轉(-4.5°),磁通量反向, 高斯值為 -550(示例),如圖 5 所示。 
4、性能指標 
4.1 直線(xiàn)度 
傳感器輸出量(電壓)與輸入量(扭矩)之間的實(shí)際關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度。一般要求:≤ ±2%。
4.2 遲滯 
在測試行程內所有測試位置來(lái)回電壓的差值。一般要求:≤ 1%。 
4.3 電壓波動(dòng) 
安裝完成的 EPS 產(chǎn)品,360°旋轉輸出軸,傳感器信號的電壓變化。一般要求:0.08V (max)。 
4.4 中位電壓 
判斷轉向管柱是否受到轉向力的作用。中位電壓:2.50V。 
5、傳感器與 EPS 系統的匹配性 
5.1 傳感器的角度匹配
a、機械限位角度。當轉向力增大時(shí),限位機構無(wú)法再相對轉動(dòng)。此時(shí)限位機構所產(chǎn)生的角度稱(chēng)為機械限位角度。 
b、傳感器有效角度。當轉向力增大時(shí),是指傳遞給ECU的信號中,產(chǎn)生有效助力的那部分信號,稱(chēng)為有效機械角度。 
c、傳感器的角度匹配在設計總成和生產(chǎn)裝配時(shí),必須保證:機械限位角度>傳感器有效角度。 
5.2 傳感器輸出電壓和扭桿的關(guān)系 
傳感器的輸出電壓最終是被 ECU 控制器進(jìn)行采集的,而 ECU 通過(guò)計算傳感器的電壓 信號,得知駕駛員轉動(dòng)方向盤(pán)扭矩的大小。那么就必須定義傳感器電壓和扭矩之間的關(guān)系。
如果傳感器圖紙中給定的是電壓和角度的關(guān)系,那么就必須確定扭桿的剛度來(lái)最終 確定輸出信號。 
5.3 扭桿剛度的計算
例:
已 知:U=3.5V;T=7.8Nm;K1= (1/3.5)V/°; 
公式: 
所以:K2=7.8/3.5;K2=2.23Nm/° 
其中: 
U:傳感器輸出電壓,單位 V; 
T:扭矩,單位 Nm
K1:傳感器電壓與角度的關(guān)系,單位為 V/°,和傳感器的類(lèi)型有關(guān)。 
K2:扭桿的剛度,單位為 Nm/°,由扭桿的粗細和長(cháng)短來(lái)確定。 
6 結語(yǔ) 
本文主要針對電動(dòng)助力轉向系統用扭矩傳感器的工作原理、性能指標和系統匹配等 方面進(jìn)行了分析,對后續扭矩傳感器的開(kāi)發(fā)具有指導意義。
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