汽车方向盘转角传感器的开发应用

张永东

（山西中航锦恒科技有限公司，山西 太原 030032）

方向盘转角传感器 （SAS）用于检测车辆行驶过程中方向盘的转动角度和角速度，来预测驾驶员的操作意图，从而为车辆的其他控制系统如ESP、EPS、AFS、ADAS、PLA等提供控制动作的依据，其精度和稳定性直接关系着行车安全。

汽车电控技术进步推动了汽车传感器技术的发展，随着市场对传感器要求的不断提高，出现了很多新型的方向盘转角传感器。本文所涉及到的新型转角传感器属于数字非接触式绝对值转角传感器，是基于巨磁阻 （GMR）效应的角度传感器。这种传感器经过特殊设计，可以实现非接触式多圈绝对角度的检测，并通过CAN总线提供给ECU控制信号。

1 转角传感器的结构形式

方向盘转角传感器通常安装在方向盘下方的转向柱或时钟弹簧上，采用3个齿轮的机械结构来测量转过的角度。

转角传感器基本组成及结构如图1所示。主要有上、下壳体、3个齿轮组成的机械结构，两个磁铁及对应的两个磁阻角度传感器，电路板等组成。

图1 传感器基本组成及结构

2 转角传感器的工作原理

方向盘转角传感器安装在方向盘下方，大齿轮A（90齿）随方向盘一起转动，与两个齿数不相等的从动小齿轮B（26齿）和小齿轮C（30齿）啮合。两个小齿轮轴与传感器外壳一起固定在车身，每个小齿轮上各设置有水平充磁的永磁体,随齿轮转动,两块永磁体上方分别放置固定不动的磁阻角度传感器，通过微处理机可采集两个小齿轮的转角。

方向盘同轴固定的大齿轮带动两个小齿轮转动，由于两个小齿轮齿数不同，方向盘转动在不同的位置，两个小齿轮会相差特定的角度。由于大齿轮转动角度与两个小齿轮转动角度差之间有特定的对应关系，依据三者角度关系，可由微处理机计算得到方向盘的绝对转角，最大可以达到±2.16圈的绝对角度值，并微分计算出方向盘转动角速度。齿轮输出角度关系曲线如图2所示。

图2 齿轮输出角度关系曲线图

3 转角传感器的主要技术指标

转角传感器的主要技术指标如下：工作作电压12 V；工作电流<100 mA；角度测量范围±780°；角度分辨率0.1°；角度精度±2.5°；角速度测量范围0-1016°／s；角速度分辨率4°／s；角速度精度±15°／s；通讯接口CAN；更新频率10 ms；工作环境温度-40~90℃。

4 转角传感器的设计方案

结合主机厂转角传感器的技术要求，分别从测量原理、系统架构、结构方案、硬件电路、软件编程等方面设计开发，具备转角传感器自主开发技术能力。

4.1 测量原理

转角传感器的大齿轮转动角度θ与两个小齿轮转动角度（α，β）之间有特定的关系曲线 （见图2）。分析、掌握三者角度关系的函数θ=f（α，β），建立计算机仿真软件，为转角算法软件、齿轮及轮系设计、装配调试、系统测试及误差分析等提供设计依据和分析工具。

4.2 系统架构

转角传感器采用IGN供电，包括测量模块、电源模块、MCU模块、CAN模块等。磁感应芯片采集两个测量齿轮的角度信号并通过SPI传输至MCU，MCU通过SAS算法处理计算出主齿轮角度，传输至CAN总线。系统框架简图见图3。

图3 系统框架简图

4.3 结构方案

结构设计主要工作是齿轮及轮系、永久磁钢、传感器壳体等机械零组件设计，及电路板外形、磁阻转角传感器位置等与结构相关的设计工作。

轮系传动比对于传感器量程、体积、软件算法、设计制造精度、传感器误差容错率均有关联。两小齿轮齿差越小，传感器量程越大；大齿轮与小齿轮的比值越大，传感器体积越小。两小齿轮转动角度差在360°以内，与大齿轮转角一一对应。

4.4 硬件电路

使用英飞凌 （Infineon）双传感器方案，基于两个磁场测量芯片进行测量，正确标定和初始化后，转角信息在掉电时不丢失，因而在量程范围内可输出绝对转角位置，实现非接触式多圈绝对角度检测。在测量精度、分辨率、线性度、使用寿命等方面具有良好的性能。

转角传感器电路原理框图见图4，主要由两个磁阻转角传感器、微处理器、CAN总线接口、调试接口、电源等组成。

图4 电路原理框图

4.5 软件编程

转角传感器软件采用嵌入式软件，主要有微处理器初始化、方向盘零位设置、小齿轮转角采样、方向盘转角计算、方向盘角速度计算、CAN总线通讯、上电自检测和周期自检测等功能模块组成。外部中断程序用于标定初始传感器安装角零位。软件是转角传感器的重要部分，编程语言采用C语言，编程环境win7，编译器keil4。巨磁阻传感器角度CORDIC算法、CAN总线通讯协议规定是整个软件编程的核心部分。软件设计应贯彻工程化设计原则，有详细的软件设计文档及版本管理等。

5 转角传感器的测试结果

按照设计方案开发方向盘转角传感器，通过模拟方向盘转动进行试验验证测试，实测所开发的转角传感器顺时针旋转和逆时针旋转的输出角度，其结果满足角度精度±2.5°的技术要求。如图5所示。

图5 转角传感器输出角度误差分析图

6 转角传感器的技术保障

通过对产品技术资料的整理和分析，掌握了汽车方向盘转角传感器的设计技术、制造工艺等。在参照行业产品技术标准的基础上，编制了内部汽车方向盘转角传感器产品技术标准，所有定型产品均按照产品技术标准进行了严格的DV、PV试验验证，使产品开发、生产、检测全过程有了可靠的技术依据和技术保障。

7 结束语

电子稳定系统 （ESP）和电动助力转向系统 （EPS）是当前汽车电控技术的热点，随着这些系统应用的不断普及，方向盘转角传感器的需求量将越来越大。目前，方向盘转角传感器面临着降低成本、提高使用寿命和可靠性的多方面要求，传感器技术需要不断发展，以满足这些越来越高的使用要求。