郭忠新，张 蕾

（1.上海科世达-华阳汽车电器有限公司，上海 201814；2.上海电机学院机械学院，上海 201306）

随着科技的发展和人们生活水平的提高，对汽车驾驶的舒适性、稳定性和安全性也要求越来越高，因而大量的电子技术被应用到汽车工业之中，一些辅助驾驶元件应运而生，如电子稳定系统ESP（Electronic Stability Program）、电子助力转向EPS（Electrical Power Steering）、主动转向系统AFS（Active Front-Steering System）、自适应巡航系统ACC （Adaptive Cruise Control）、自动泊车 （Park Assist）和航道保持 （Lane Keeping Assist）等，这些都属于驾驶辅助系统的一部分。如图1所示，驾驶辅助系统中的每一个元件都或多或少需要方向盘转角传感器SAS（Steering Angle Sensor）输入方向盘的实时状态 （也就是转向系统的状态），才能够更好地起到作用。方向盘转角传感器是指安装在汽车方向盘下部，与转向柱开关模块集成在一起，读取方向盘的转动角度和角速度的装置。方向盘转角传感器在辅助驾驶系统中起到极其重要的作用。

图1 方向盘转角传感器的作用

自从上个世纪90年代初，第1款角度传感器应用于汽车上以来，角度传感器也随着技术的更新而升级换代。按照测量角度结果可分为：相对式或绝对式。相对式的能够测量2个待测点的相对角度位置，而无法确定测量开始时的绝对角度位置；而绝对式的能够在任意时刻测量出被测物体的位置信息。按照测量角度的电子实现方式可分为：接触式或非接触式。接触式角度传感器由于机械接触存在，机械磨损带来较大的误差；而非接触式角度传感器凭借通用性和高精度已经逐渐取代接触式的。非接触式的传感器包括光电式、电容式和磁电式等。磁电式绝对角度传感器又因为精度高、测量结果稳定等优势逐渐取代其他类型的角度传感器，成为今后应用的主流产品［1］。本文将具体介绍磁电式绝对角度传感器的原理及设计应用。

1 磁电式转角传感器的机械构成及工作原理

1.1 机械构成

磁电式角度传感器主要由主动齿轮、2个从动齿轮、PCBA和霍尔传感器等零部件构成，如图2所示。

主动齿轮通常间接或直接由方向盘驱动，当方向盘转动时，主动齿轮会随着方向盘的转动进行同心转动，进而通过齿轮的啮合运动驱动2个从动齿轮进行转动。如图3所示，在2个从动齿轮上设置有永磁铁，2个从动齿轮转动，使得2块磁场分布区域不断变化，从而通过霍尔传感器输出相应的角度。

图2 磁电式角度传感器结构图

图3 角度传感器机械原理

1.2 霍尔传感工作原理

根据上文提到的机械构成可见，霍尔传感器是测量角度的核心电子器件。实现这种功能的霍尔传感器有很多，本文以MLX90316芯片为例进行说明［2-3］。

这款霍尔芯片集成了Tria度isTM的CMOS霍尔传感器，当外加磁场的分量与芯片表面平行时则可输出两路正交磁场信息。根据这一特点可以获得对应的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式在360°范围内输出角度数字信号。

图4 MLX传感器前端

当小齿轮在芯片表面上方旋转时，如图4所示，芯片的集磁片IMC（Integrated Magnetic Concentrator）可以将平行作用在芯片表面的磁场B／／集中起来，并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量B⊥，再通过2对位于IMC下方的传统平面霍尔元件来检测此信号。这2对霍尔元件的放置方向互相垂直，且都平行于芯片表面，分别在X、Y方向测量并通过IMC转换得到Bx⊥、By⊥。通过这样的结构可以将实际角度编码为2个相位差为90°的正弦信号Vx和Vy，并正比于磁场强度。由此在芯片内部计算得出角度：

而实际上由于间隙、温度和老化等因素影响，磁场的强度等也受到相应的影响，使得测量本身存在一些误差。考虑到这些误差影响，芯片内部进行了一些补偿，输出角度如下：

1.3 角度传感器工作原理

对于乘用车来讲，方向盘通常在540°左右的范围内转动，而商用车通常在900°左右范围内转动。由上文描述可知，一个霍尔传感器仅能在360°范围进行测量，如果仅采用一个霍尔传感器远远满足不了需求。为了解决量程问题，采用2个齿数不同的从动齿轮，然后通过一定的算法得出主动齿轮的转动角度和角速度。

如图5所示，主动齿轮转动时，初始位置2个从动齿轮起始值为0°。当主动齿轮转动到一定角度时，2个从动齿轮转动角度在180°的位置重合。在这两个位置时，2个从动齿轮转动的角度差异为0°，而这个一定角度就是此角度传感器所能够测量的最大范围，在这个测量范围内，2个从动齿轮转动角度始终存在一定差异，利用这个差异可以计算出主动齿轮的转动角度和角速度。

图5 主、从动齿轮转角关系

这种角度传感器的算法有很多，但是基本的原理都是一致的，如杨平等在宽量程方向盘转角传感器系统研究中归纳的公式［4］：

式中：α主——主动齿轮的转动角度；Z主——主动齿轮的齿数；α从小和α从大——2个从动齿轮的转动角度；Z从小和Z从大——2个从动齿轮的齿数。

2 磁电式转角传感器的实现与应用

2.1 磁电式转角传感器的实现

前文介绍了转角传感器的机械构成和原理，最终要实现在整车上应用，还需要电子硬件平台和软件的配合，输出整车需要的信号。

2.1.1 硬件平台设计

此款转角传感器硬件系统主要包括角度信号采集使用的霍尔芯片、数据处理主芯片、数据通信CAN收发器以及电源模块等一些辅助电路，其架构如图6所示。

模块采用5 V直流电源供电。如前文所述，角度信号采集主要采用两片MLX90136芯片，输出信号采用精度高、稳定性可靠的SPI串行通信模式。数据处理的主芯片采用公司的R8C／3x芯片，该芯片包含系统所需要的CAN通信、SPI串行通信等功能。与整车进行数据交流采用CAN总线通信，实现实时和需要角度信息的模块进行数据共享。

2.1.2 软件架构设计

为了使物理采集的信号转化为整车上其他零部件需要的角度相关信号，这就需要软件进行实现。本转角传感器核心就是角度的算法以及算法转化为实际需要的角度相关信息。因此如图7所示的软件架构，其核心是角度计算，其中又包括了绝对角度的计算、标定的核心计算以及一些误差的处理。其次，需要霍尔传感器读取信号输入及对输入信号进行校核；经过计算的角度等信号需要输出给相关的接口，输出信号一定要正确并且为了达到安全等级的要求需要生产冗余信息；同时所有3个模块需要有诊断模块的配合，保证各个环节的准确性。最后所有生成的信号通过接口模块和整车进行交流，实现转角传感器的功能。

图6 系统硬件结构框图

图7 系统软件架构

2.2 磁电式转角传感器的应用

磁电式转角传感器自从诞生以来，以其测量精度高、品质可靠等优势，已经取代了其他类型的转角传感器应用在绝大多数车型上。这种转角传感器分辨率可以达到0.1°，精度可以做到±2.5°～±4.0°。不管什么类型的转角传感器，由于设计理念、生产制造等因素的影响，都会存在一定误差。本文论述的转角传感器也不例外，如图8所示同样存在一些如迟滞误差、非线性误差、偏移误差等［5］。

图8 转角传感器误差分析图

对于迟滞误差，通常来源于主动齿轮和从动齿轮啮合的机械间隙，以及外部驱动转角传感器的相关零件之间的配合间隙，这些间隙导致正转和反转时测量误差。非线性误差可以归结为由于方向盘旋转过程中的不同心带来的积分非线性误差和测量元器件 （霍尔传感器）本身精度带来的微分非线性误差。偏移误差通常是转角传感器自身零位和方向盘零位之间的偏差，可以通过零位调整进行补偿。除了这些误差以外，由于温度和使用寿命等因素影响，还会带来一些误差。对于不同的车型，对转角传感器的精度要求不同，可以根据不同的要求，有针对性地采取一些降低误差的措施。

3 结束语

通过磁电式转角传感器的工作原理，阐述了这种传感器的机械结构、电子软硬件的实现。通过误差分析阐述了在车上的具体应用。该传感器满足了车上不同部件需求，并且依靠结构简单、品质可靠、精度高等优点，广泛应用在不同等级的汽车上。