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          轉向扭矩傳感器淺析

          信息來源: http://www.egengw.com  時間:2022-3-5 16:56:16 

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

          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,狹義來講, 傳感器就是把光、時間、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學量轉換成電信號的變換器。 
          應用于電動助力轉向系統的扭矩傳感器就是通過特定的敏感元件,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,方向盤轉動時,扭桿與扭矩傳 感器的上半部分和下半部分存在一個相對偏轉角,扭矩傳感器就是通過檢測這個相對轉角來測量方向盤力矩的。如圖 3 所示。 
          2、分類 
          按照內部結構分類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摩擦,因此在使用過程中容易受到磨 損老化,出現測量信號不準確甚至報錯的情況。這種類型的傳感器已經逐漸被淘汰,非接觸式傳感器成為市場主流。 
          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 
          該扭矩傳感器通過霍爾效應在導體的兩端產生電勢差。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。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。當方向盤向左轉動時,傳感器扭桿發生扭轉變形,導致轉子和定子發生轉動,使得上下磁軛與多級磁鐵發生錯動, 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。磁通的變化經過霍爾 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。
          當方向盤在中間位置時,磁通量為零。當方向盤左轉(+4.5°),磁通量高斯值為 550(示例)。當方向盤右轉(-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 直線度 
          傳感器輸出量(電壓)與輸入量(扭矩)之間的實際關系曲線偏離理想直線的程度。一般要求:≤ ±2%。
          4.2 遲滯 
          在測試行程內所有測試位置來回電壓的差值。一般要求:≤ 1%。 
          4.3 電壓波動 
          安裝完成的 EPS 產品,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,限位機構無法再相對轉動。此時限位機構所產生的角度稱為機械限位角度。 
          b、傳感器有效角度。當轉向力增大時,是指傳遞給ECU的信號中,產生有效助力的那部分信號,稱為有效機械角度。 
          c、傳感器的角度匹配在設計總成和生產裝配時,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系 
          傳感器的輸出電壓最終是被 ECU 控制器進行采集的,而 ECU 通過計算傳感器的電壓 信號,得知駕駛員轉動方向盤扭矩的大小。那么就必須定義傳感器電壓和扭矩之間的關系。
          如果傳感器圖紙中給定的是電壓和角度的關系,那么就必須確定扭桿的剛度來最終 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系,單位為 V/°,和傳感器的類型有關。 
          K2:扭桿的剛度,單位為 Nm/°,由扭桿的粗細和長短來確定。 
          6 結語 
          本文主要針對電動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 方面進行了分析,對后續扭矩傳感器的開發具有指導意義。
          扭矩傳感器http://www.egengw.com/

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