EPS传感器 设计与应用 (杨其华)

[e-mail]，0571-87676221第1页汽车电动助力转向控制用传感器设计与应用杨其华（[e-mail]，0571-87676221）2010.7.20淄博[e-mail]，0571-87676221第2页目录◆EPS总成与传感器◆EPS传感器产品◆EPS传感器配套电路◆EPS传感器设计实例◆EPS传感器质量控制EPS传感器设计与应用[e-mail]，0571-87676221第3页EPS传感器综述1.EPS总成与传感器[e-mail]，0571-87676221第4页1.EPS总成与传感器①机械转向机构②（离合器）③扭矩传感器④助力电动机⑤控制器（ECU）35214EPS总成示意EPS传感器概念：①方向盘转向管柱……扭矩②方向盘转向管柱扭矩……角位移③扭矩+角度(复合)传感器输出电信号EPS传感器设计与应用[e-mail]，0571-87676221第5页①按安装方式分类a.独立封装传感器；b.助力转向总成一体化传感器。②按信号输出方式分类a.扭矩或（角）位移单信号输出传感器；b.扭矩和（角）位移双信号输出(或两者独立)传感器。③按内部结构分类a.接触式传感器：传感器全工作行程中，获取信号的敏感部件存在机械摩擦。（如电位器结构）；b.非接触式传感器：传感器全工作行程中，信号通过磁耦合、电耦合、光耦合等方式获取。(如线圈感应、巨磁(MR)桥路、电容电场等原理的传感器。)1.EPS总成与传感器EPS传感器设计与应用[e-mail]，0571-87676221第6页EPS传感器设计与应用1.EPS总成与传感器①EPS总成整体性能单/双信号ECU控制算法优化、效率（如回正）②EPS总成整体结构传感原理+机械机构一体化设计传感器+机械机构组合设计③与ECU配合传感/一次仪表信号控制器ECU④传感器性能一类安全件性能试验与评价[e-mail]，0571-87676221第7页2.EPS传感器产品2.1磁场检测原理的传感器（1）(BOSCH)角度传感器LWS5测量范围：1560°分辨角度：0.1°误差：2.5°工作温度：-40°C…+85°C供电电压：8VDC/16VDC工作电流：150mA接口：CAN(2.0B)2个正交角度信号EPS传感器设计与应用[e-mail]，0571-87676221第8页2.EPS传感器产品(2)BOSCH的扭矩传感器方案OperatingconditionsTechnicalDataSupplyvoltage5V…10VInterfaceDigitalPSI5oranalogDataOutputRedundanttorquesignalMeasuringrange±8Nm(=±4°)Resolution0.015Nm(=0.0078°)Operatingtemperaturerange-40°C…+125°C•••••EPS传感器设计与应用2.1磁场检测原理的传感器[e-mail]，0571-87676221第9页2.EPS传感器产品(3)产品设计提示EPS传感器设计与应用2.1磁场检测原理的传感器•稳定的磁场——材料、布局…•独立封装优势——控制质量、通用性和互换性•集成电路芯片——可靠性VS成本；多种芯片可选[e-mail]，0571-87676221第10页2.2电磁感应原理的扭矩传感器2.EPS传感器产品EPS传感器设计与应用转向主轴(输入轴)扭转杆分相器单元1(定子部分)分相器单元2(定子部分)分相器单元2(转子部分)小齿轮轴(输出轴)••(1)结构1分相器单元1(转子部分)安装插销孔[e-mail]，0571-87676221第11页2.EPS传感器产品EPS传感器设计与应用2.2电磁感应原理的扭矩传感器[e-mail]，0571-87676221第12页2.EPS传感器产品EPS传感器设计与应用2.2电磁感应原理的扭矩传感器齿条轴转子线圈定子磁体马达转角传感器[e-mail]，0571-87676221第13页2.EPS传感器产品EPS传感器设计与应用2.2电磁感应原理的扭矩传感器线圈定子带磁体转子转角传感器检测凸台齿条轴转角传感器[e-mail]，0571-87676221第14页2.EPS传感器产品EPS传感器设计与应用2.2电磁感应原理的扭矩传感器转角传感器凸台转子齿条轴tt输出信号(V)信号A信号[e-mail]，0571-87676221第15页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品04款及以后的ToyotaPrius电磁感应式扭矩传感器2.2电磁感应原理的扭矩传感器(2)结构[e-mail]，0571-87676221第16页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.2电磁感应原理的扭矩传感器(2)结构[e-mail]，0571-87676221第17页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.2电磁感应原理的扭矩传感器(3)结构[e-mail]，0571-87676221第18页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.2电磁感应原理的扭矩传感器(4)结构[e-mail]，0571-87676221第19页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.3(PCB)电磁(场)感应原理的传感器(1)海拉(Hella)感应式传感器冲压金属片1个激励线圈、3个感应接受线圈信号处理Hella传感器测量范围为60°时，3个感应线圈的角度差值为量程的1/3（即20°）；定子上的电压幅值随转子相对位置而变化。[e-mail]，0571-87676221第20页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品SteeringTorqueandAngleSensorGen.1withoptionalSingle-orMulti-TurnSystemElectricallyPoweredAssisstedSteeringMeasuringrangetorque:angle:±7.1°(±14.2Nmattorsionbarstiffnessof2Nm/°)Single-Turn:360°,Multi-Turn±720°true-power-onsignalAccuracytorque:angle:0.15°0.8°/1.8°Resolutiontorque:angle:0.005°0.04°/0.09°OutputSignaltorque:angle:2PWMsignals(redundant)2PWMsignals/2PWMsignals(fineandcoarsetrackeach)TemperatureRange-40…105°C(125°C)Modularconceptallowstorqueonly,torqueandanglesingle-turnortorqueandanglemulti-turnfunctioninthesamehousingInproductionsince2007(1)海拉(Hella)感应式传感器[e-mail]，0571-87676221第21页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品扭矩/角度传感器（多转）(1)海拉(Hella)感应式传感器[e-mail]，0571-87676221第22页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品扭矩/角度传感器（多转）(1)海拉(Hella)感应式传感器[e-mail]，0571-87676221第23页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.3(PCB)电磁(场)感应原理的传感器(2)电容极板耦合式传感器BCADBCADBCAD231图1图241：定片源电极；2：定片公共电极；3：电场合成动片；4：动片扇翅；5：轴套（可固定于轴上；6：轴联动片；7：接线插座；8：传感器壳体(外固定)；9：源激励电极与公共电极(定片)10：壳联动片；11：外连接拨杆；12：扭杆（敏感轴）；13：外安装轴；567891011121314图4扭转图[e-mail]，0571-87676221第24页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.4电位器原理(接触式)传感器(1)BI公司传感器有单角度/双角度信号2种产品[e-mail]，0571-87676221第25页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.4电位器原理(接触式)传感器(1)BI公司传感器结构示意[e-mail]，0571-87676221第26页EPS传感器设计与应用2.EPS传感器产品2.4电位器原理(接触式)传感器(2)国产EPS控制用电位器[e-mail]，0571-87676221第27页EPS传感器设计与应用3.EPS传感器电路①电磁感应原理类②MR检测原理类③电桥检测类④……传感原理基本电路①放大、滤波、调理②线性化、细化分辨率、③数字化转换/计数④输出接口⑤……以提高性能为目标的信号处理电路单元集成融合？[e-mail]，0571-87676221第28页EPS传感器设计与应用3.2测量电桥按电源性质分直流电桥_只能测量R交流电桥_可测量R/L/C变化I1I2R1R2R3R4uiuoabcd+-EٛI恒压源恒流源归零法偏置法扭矩测量:扭杆上粘贴检测元件(应变片/SAW)可通过滑环连接输入输出线。3.EPS传感器配套电路[e-mail]，0571-87676221第29页3.EPS传感器配套电路EPS传感器设计与应用I1I2uiuoabcd11RR22RR44RR33RRc)全桥1234RRRRR配置3124014iRRRRUURRRR114oBiUKRRU桥路灵敏度减少非线性增加灵敏度补偿环境影响差动电桥3.2测量电桥[e-mail]，0571-87676221第30页3.EPS传感器配套电路EPS传感器设计与应用差动电桥与供电源/放大器之间的配合示例3.2测量电桥[e-mail]，0571-87676221第31页EPS传感器设计与应用3.3电感传感器检测方法3.EPS传感器配套电路N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积0：真空磁导率；：气隙厚度。待测量磁路磁阻变化线圈电感(L/M)变化U/I/F自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器感应同步器扭矩传感器2LUUUIZXfL202NAL[e-mail]，0571-87676221第32页EPS传感器设计与应用3.EPS传感器配套电路在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件3为1、2合成的差动特性差动电感传感器的特点3.3电感传感器检测方法[e-mail]，0571-87676221第33页EPS传感器设计与应用3.EPS传感器配套电路差动变压器:一个一次线圈(初级)＋若干个二次线圈(次级)线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来交流激磁电压感应电压同一线框绕制！同名端如何连接？3.3电感传感器检测方法[e-mail]，0571-87676221第34页EPS传感器设计与应用3.EPS传感器配套电路误差因素零点残余电动势温度变化激励频率结构对称性铜耗漏磁特性改造a）