簡述電動轉向系統扭矩轉角感測器

一般來說，電動助力轉向系統的基本策略如下圖，可見其所有基本控制模塊，其輸入信號要麼需要方向盤力矩信號，要麼需要方向盤轉角信號（方向盤轉速通過轉角信號計算得到），這兩個信號一般來說是通過一個扭矩轉角感測器TAS（Torque and Angle Sensor）來獲取的。本文淺嘗輒止地來講一講目前EPS系統中用到的主流扭矩轉角感測器。

TAS的扭矩檢測功能，其本質上還是一個轉角感測器，TAS與扭桿組裝在一起構成扭矩感測器總成，方向盤轉動時，扭桿與扭矩感測器就出的上半部分與下半部分存在一個相對轉角差，TAS就是通過檢測這個相對轉角來測量方向盤力矩的。

在實際的應用中，還有TIS（Torque+Index Sensor）和TOS（Torque Only Sensor）兩種，TIS只能提供扭矩信號和絕對轉角的過零信號脈衝，系統可以結合電機角度來得到方向盤角度；TOS只能提供扭矩信號。

TAS發展至今，大抵經過了接觸式感測器和非接觸式感測器兩個階段，接觸式感測器由於在其測量過程中，感測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出現。這種類型的感測器已經逐漸被淘汰。

TAS大抵可以分為如下幾類，下文將分別述之。

（1） 接觸式電位器扭矩轉角感測器

接觸式感測器主要代表有日系早期的扭矩感測器和BI公司的第一代扭矩轉角感測器。其感知元件均採用高精度的電位器，當扭桿旋轉過一定角度時，通過機械結構巧妙的帶動電位器轉過對應的角度，通過電位器電阻的變化，達到測量角度的目的。

（2） 旋變式非接觸式TAS

旋變式的非接觸式TAS在日本的EPS供應商中應用比較多一些，其基本原理為定子上的線圈上提供一個正弦的勵磁電流，在氣隙中空間形成一個正弦分布的旋轉的磁場，轉子線圈感應該磁場得到一個與勵磁同頻率但不同賦值和不同相位的正弦電壓信號，通過解析該感應電動勢可以得子轉子線圈的位置，從而得到測量扭桿偏轉角的目的。

（3） 霍爾式非接觸式扭矩感測器

這一類的TAS是目前市場上用得最多的，市場佔有量最大的廠家分別是海拉、法雷奧和博世。三家的感測器雖然都是應用的霍爾效應，但在其信號產生機理和應用上卻有本質的區別。

首先讓我們來看看什麼是霍爾效應？

在與磁場垂直的N型半導體薄片上通以電流I，由於N型半導體的載流子為電子，因此電子將沿與電流相反的方向運動。由於洛侖磁力的作用，電子發生偏轉，一側形成電子累積，另一側形成正電荷累積，於是元件的橫向便形成了電場。該電場阻止電子繼續向側面偏移，當電子所受電場力與洛侖茲力相等時，電子的累積達到動態平衡。這時在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場 ，相應的電勢稱為霍爾電勢 。

通過以上的定義，顯然我們知道利用霍爾效應產生電勢，需要以下幾個條件：

• 磁場（可以是永磁體生磁，也可以是電生磁）

• 半導體薄片（晶元廠搞定）

• 半導體上通過一個電流

最後的結果是：

• 半導體上，與磁場和電流平面垂直的方向產生一個電勢，該電勢大小與磁場方向及電流大小有關。

3.1 BOSCH的TOS/TIS方案

感測器由MU（永磁體單元）、FTU（磁場傳導單元）和SU（感測單元三部分組成）。

其信號輸出類型又模擬量、PWM和PAS4協議、PSI5協議幾種類型。MU的磁性非常大，而為了獲得準確的扭矩精度，對MU、FTU以及SU之間的裝配間隔的要求也相當高，給小總成的安裝工藝帶來的問題比較多。

3.2 Valeo的TAS方案

Valeo的感測器也是使用永磁體勵磁，但是只有永磁體和感測單元兩個單元。跟Bosch的感測器相比較，我們可以理解成valeo把FTU和SU做了集成化。

永磁體勵磁的TAS扭矩檢測原理如下圖所示：

（1）永磁體在圓周上均勻分步n對磁場N－S極（一般為8對），磁場在氣隙內呈均勻正弦分步

（2）當永磁體和磁場傳導單元發生相對角位移時，磁場傳導單元所在位置的空間磁場發生相應變化

（3）Hall晶元感應磁場傳導單元所在位置的磁場，並將其轉換成電壓信號

為了檢測絕對轉角信號，valeo的ASU方案中在跟輸入軸上先增加了一副大的齒輪，然後又安裝了兩幅速比不一樣的AS齒輪和RS齒輪（下圖標註有BUG，請讀者自行找茬），其中AS齒輪與大齒輪的速比為360:144，RS齒輪與大齒輪的速比為360:2448.在該齒輪上安裝有兩個另外的永磁體，各有一片Hall晶元（無磁場傳導單元）來採集AS和RS的信號。

其信號特徵見下：

3.3 Valeo的TAS方案

Hella TAS感測器方案最大的創新在於：

• 完全拋棄永磁體，通過在PCB上的印製線路形成電感線圈，在線圈兩端施加電壓以後即在空中形成hall效應所需要的磁場

• 為了測量絕對角度，跟Valeo的方案比，只增加了一組齒輪

其檢測的機理為，兩個轉子分別檢測40°信號（以40°為周期）和20°信號（以20°為周期），每一個轉子實際上有三組相位互差120°的線圈，三組線圈同時接入感知晶元中。

減速齒輪與valeo的方案相似，輸出PWM信號，PWM 【min max】對應轉角【-738° 738°】。

上圖為Hella感測器SENT版本的信號框圖，兩路通過SENT信號發送給ECU的信號是20°感測器和40°感測器所感測到的絕對轉角信號，還需要在ECU內部通過一定的演算法將兩個絕對轉角信號做同步處理及冗餘校驗後相減才能得到相對轉角信號-即扭桿偏轉角。

同時，Hella提供的感測器扭矩信號還有PWM版本，即把同步處理和冗餘校驗的工作放在感測器內部完成了，無需ECU來做此工作。

通過上圖IC300得到的轉角解析度非常低，因此這個角度一般來說只用來：

• 計算初始角度

• 冗餘校驗

• 在其它兩路信號失效的情況下提供一個DEGRADED ANGLE。

獲得初始角度以後，一般來說都是用40°轉子所提供的信號來求解解析度更高的方向盤角度信號。

（4） 其它類型的感測器，譬如光耦、巨磁等，要麼已經退出歷史舞台，要麼屬於極其小眾型的感測器，在此不再贅述。

作者：JACK

電子電器好課(點擊標題查看）

《整車網路和ECU診斷實例講解》