传感器论文

上海大学2016～2017学年冬季学期研究生课程考试

小论文

课程名称：传感器技术课程编号： 09Z118003

论文题目: 电动助力方向盘角度传感器

研究生姓名: 石成章学号: 16721828

论文评语:

成绩: 任课教师:

评阅日期:

电动助力方向盘角度传感器

石成章

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：论文通过研究角度传感器的应用现状，对目前市场上主要应用的角度传感器进行了介绍，并对各种角度传感器的优缺点作了对比分析。在把握当前传感器集成化和智能化发展趋势的前提下，提出了基于磁电效应的非接触式绝对角度传感器系统设计方案。文章给出了角度传感器系统的主要机械部件的设计方案，对传感器系统中行星齿轮的齿数和磁钢的选型以及安装位置进行了设计确定。

关键词：绝对角度传感器，集成化和智能化，磁电效应，磁性角度编码器

Electric power steering wheel angle sensor

SHI Cheng-zhang

(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: In this paper, the angle sensor of the main application on the market is introduced by studying the application status of the angle sensor, and the advantages and disadvantages of the various angle sensors are compared and analyzed. Based on the current sensor integrated and intelligent development trend, the design scheme of non - contact absolute angle sensor system based on magnetoelectric effect is proposed. The design scheme of the main mechanical parts of the angle sensor system is given, and the number of teeth of the planetary gear and the selection and installation position of the magnet are determined.

Key words:absolute angle sensor；integrated and intelligent；magnetoelectric effect；magnetic angle encoder

1前言

在国内，汽车传感器的研发和生产还没有形成独立的配套产业链，大多数都是依附于汽车仪表企业，因此还不能满足国内整车企业对汽车传感器的配套需求。方向盘转角传感器作为近几年刚刚兴起的汽车电动助力转向系统的主要传感器之一，国内对于它的研发也就少之又少，目前主要采取国外进口或者中外合作的方式。目前，对于一些更高性能的汽车传感器主要采取进口的方式，光传感器的进口数大约每年在100万套左右，因此研究和开发各类先进的高性能的车用传感器，尤其是对于新型汽车方向盘转角传感器开发和研究刻不容缓，这也是促使国内汽车传感器形成产业化的重要措施之一。

2角度传感器的敏感元件

2.1方向盘角度传感器概述

方向盘转角传感器，既是汽车电动助力转向系统（的重要组成部分又是汽车动力学车身稳定控制的重要组成部分。

方向盘旋转角度传感器是电动助力转向系统控制器的重要输入信号之一，它承担着实时检测方向盘转动角度的重任，它的作用是向电动助力转向系统的电子控制单元提供方向盘转动的绝对角度信号，系统的控制器根据转角传感器的方向盘角度信号和系统中其他的传感器信号（如车速信号和转矩信号）控制助力电机产生相应的助力，为驾驶员的转向提供相应的

助力使方向盘的转动变得轻便气因此，方向盘转角传感器的性能好坏对汽车方向盘的操纵舒适性和行车的安全具有直接的控制作用。转角传感器在工业中又被称之为旋转编码器（模拟数字）。方向盘角度传感器通常安装在方向盘的转向管柱处，如图常见方向盘角度传感器的安装示意图和安装结构图。

图2-1方向盘角度传感器的安装位置和结构

2.2系统选用的角度敏感元件

传统汽车电动助力转向装置上应用的角度传感器主要是依据电阻分压原理的接触式角度传感器。由于接触式角度传感器在工作中存在着机械摩擦，这势必会造成传感器的机械磨损降低传感器的使用寿命和测量精度，另外接触式转角传感器还存在着抗振动能力差，体积较大、不便于安装以及造价相对昂贵的缺点。因此，这种接触式传感器很快就被后来的非接触式传感器所取代。目前，国内外中、高级汽车电动助力转向系统上普遍采用非接触式方向盘转角传感器，非接触式角度传感器的最大优点莫过于没有机械磨损。另外，与传统接触式相比，非接触式转角传感器还具有体积小，造价低，测量精度高，反应速度快，抗干扰能力强以及使用寿命长的优点。

目前，在汽车电动助力转向装置中广泛应用的非接触式方向盘角度传感器主要有：磁电感应式，光电编码式。其中又以霍尔感应式最为常见。

基于上文对各种角度传感器的对比和分析，本文选用基于磁电效应理论的非接触式角度传感器作为方向盘绝对角度传感器的敏感元件。本文拟选用公司生产的集成芯片作为角度传感器系统的敏感元件。集成芯片能够检测到外部磁场方向在°的角度范围，比通常的角度传感器的测量范围大了很多。

2.2.1角度传感器磁钢（永磁铁）的选择方案

1)剩余磁通密度Br

由于永磁材料在外磁场的反复磁化的过程中存在着磁滞的现象，即永磁材料的磁感应强度的变化总是滞后于外磁场的磁场强度变化。假若在永磁材料的磁场强度在外磁场的磁化作用下达到饱和状态后立刻撤掉外磁场，此时磁滞现象的存在，永磁体的磁通密度并不会完全消失，我们称此时永磁体剩余的磁感应强度为剩余磁通密度Br 。通俗的说，剩磁就是被磁化后的磁铁，在外磁场消失的情况下仍保存的磁感应强度。

剩余磁通密度Br 的大小反映了永磁材料能够向外界提供磁场的能力，越大意味着永磁体的性能越好。

2)磁能积()H B ∙和最大磁能积()max H B ∙

磁能积()H B ∙，是指在永磁体退磁曲线的任一点的磁场强度(H)与该点对应的磁通密