电动助力转向系统扭矩传感器研究现状与发展趋势

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

汽车电动助力转 向(electric power steering，EPS)系统具有节能环保、转向特性和操作稳定性能好、结构简单、安装紧凑、便于维修和保养等优点，在轿车和轻型汽车领域逐渐取代液压助力转向系统，并开始向大型轿车和商用汽车领域发展。它是汽车转向系统的发展方向，已成为汽车转向行业的研究热点 ，具有广泛的应用前景。

汽车电动助力转向系统是-种直接通过电机提供辅助扭矩的动力转向系统，电动助力转向电子控制单元根据扭矩传感器、车速传感器等传输的信号，通过相应的分析、计算和判断，控制电机旋转方向和电流大小产生合适的转 向助力，从而完成实时助力转向的作用。由此可知，扭矩传感器是汽车电动助力转向系统最重要部件之-，其输出特性直接影响电动助力转向的控制性能，因此，对扭矩传感器的研究和开发具有重要意义 J。

1 电动助力转向扭矩传感器国内外研究现状按照扭矩测量原理分类 ，扭矩测量可分为：传递法、平衡力法及能量转换法3类 。由于电动助力转向的特殊工作条件，电动助力转向扭矩传感器都采用传递法进行测量，并要求传感器结构简单、工作可靠、精度适中、价格便收稿日期：2013-01-07宜 4 。目前，电动助力转向中的扭矩传感器种类很多，按测量原理分主要有电位计式、光式、电感式、电磁式、霍尔Ic式 、磁阻式等，按测量方式分有接触式、非接触式。

1.1 电位计式电位计式扭矩传感器是通过将扭杆的变形转换为电位计电阻值的变化，测量 电位计输出电压的变化而实现扭矩测量。国内最早出现的是 日本 NSK公司生产的电位计扭矩传感器，主要由扭杆、转角位移变换器(由滑块、钢球和螺旋槽组成)、电位计组成。输入、输出轴通过扭杆连接，滑块经过-个销安装在输出轴，相对输入轴可以螺旋方向移动，相对输出轴可以轴向移动。扭矩作用时使扭杆发生变形，扭矩转换为相应的转角值，输A/输出轴发生转动产生-偏差。该偏差使滑块相对于输出轴轴 向移动，滑块的轴向移动带动杠杆改变电位计中的电阻值 ，电阻值的变化经电位计转换为相应输出电压的变化，测量输出电压变化可以检测扭矩的大型方向，传感器工作原理如图1所示。

电位计式传感器虽然成本低廉，但是由于是采用接触式，工作时产生的摩擦磨损，影响测量精度，缩短其使用寿命，经常维护造成使用成本提高，不利于集成化，将逐渐淘汰，被非接触式扭矩传感器所替代。

12 传 感 器 与 微 系 统 第 32卷传图 1 NSK扭矩传感器原理图Fig 1 Schematic diagram of NSK contact torque sensor美国 BI公司开发的扭矩位置复合传感器也属于电位计式传感器 ，通过多个滑动变阻器来控制输出信号，既能提供扭矩信号，还能提供方向盘位置信号。相对于NSK电位计式，减少了滑块、螺旋槽等配合精度要求高的部件，结构更为简单，能提供复合信号。此种复合式传感器已批量生产并运用于电动转向中 J。

1.2 光 式光式扭矩传感器有光电式、激光衍射式、光栅式等 ，其中光电式扭矩传感器在国内外研究较多，且已批量生产并运用于助力转向系统中。传感器输入/输出轴由扭杆连接，将两光码盘分别固定在输入轴和输出轴 ，每个光码盘有两圈-定个数的孔，其中-个光码盘的孔同相分布，另-个反相位分布，发光管和光敏二极管固定在光码盘两侧。有扭矩作用时，扭杆的扭转变形引起光码盘的错动 ，使得光码盘内外孔的重叠面积发生变化，照射到光敏二极管的光发生变化，输出相应的电压信号。据此可检测出所施加转矩的大型方向。光式扭矩传感器原理如图2。

ll图2 光电式扭矩传感器原理图Fig 2 Schema tic diagram of optical torque sensor英国Lucas公司已于1992年开发了此种EPS专用光电式扭矩传感器 J，已投入使用并开始批量生产装配于电动助力转向中，美 国TRW 公司、日本 SHOWA公司的电动助力转向也采用了相应的光电式扭矩传感器。国内清华大学也于2004年开发了光电式扭矩传感器，此传感器在精度、重复性、非线性度 、迟滞性、温度特性等均满足电动助力转向要求 J。

光电式扭矩传感器测量精度较高、响应速度快、不受电磁干扰、属于非接触测量、性能可靠、受温度影响校但是对光码盘上孔的加工精度和位置精度要求很高，且光源寿命有限，受环境影响较大，安装密封性要求较高，价格比较贵。

1.3 电感式输入/输出轴通过扭杆连接，输入轴上分布有由非磁性材料制成带两排孔的键槽，输出轴上分布有 由磁性材料制成的花键 ，花键与键槽外面与线轴套和线圈对应。有扭矩作用时，扭杆产生扭转变形，扭杆变形与传递扭矩大小呈-线性关系。扭杆变形，使得键槽和花键产生相对位移，导致键槽带孔位置的磁感强度发生变化，通过磁通量探测线圈将电感变化转换为电压信号，据此检测扭矩的大型方向。

日本 的 KOYO，NSK公司研发了此类电感式扭矩传感器 ，由于采用非接触式测量，具有较高的精度，经过不断的完善和发展，已经批量生产运用于电动助力转向中。韩国 MANDO公司、国内株洲易力达公司的电动助力转向也采用了电感式扭矩传感器。国内有清华大学、浙江大学等高校对此类电感式扭矩传感器进行了相应研究，开发了相应信号采集与处理 电路，在非线性误差 、信号重复性 、信号迟滞性、信号精度、跟随灵敏度等均满足电动助力转向系统的要求。

电感式扭矩传感器属于非接触式，不易受到磨损、可靠性高、寿命长、有更小的延时、精度适中。但是此种传感器存在磁性元件 ，受温度影响较大，增加温度补偿线圈后，传感器体积较大，不利于集成化。

日本 SHOWA公司开发了-种非接触可变电感扭矩传感器，将带有斜槽的中空阀芯通过固定销与输入轴连接在- 起，阀芯相对输出轴可以轴向移动，阀芯外面对应分布有线圈。未有扭矩作用时，固定销在斜槽中间位置。有扭矩作用时，扭杆发生变形，固定销向左或向右转动，通过斜槽推动阀芯轴向移动。阀芯对应的感应线圈产生感应电压变化 ，从而检测相应的扭矩大型方向。此传感器结构更复杂，工作时会产生摩擦，影响测量精度。

1.4 电磁式电磁式扭矩传感器由定子和转子两部分组成，定子是印刷电路板，其上分布有激励线圈、接收线圈和相应的信号处理电路。转子由上下对称的双层转子片 A，B组成 ，每层转子片均有特定个数的转子环均匀分布在圆周上。当激励线圈通入高频交流电时，激励线圈包围区域产生均衡的交变磁场，转子处于交变磁场中，由于涡流的作用，造成磁场分布不匀衡，这种不均衡导致接收线圈端输出电压发生相应变化，因此，方向盘扭矩转换为相应的电压变化。信号处理单元接收接收线圈的电压信号，进行相应处理实现扭矩的测量 。HELLA公司已于2007年开发出了此种非接触扭矩传感器，开始批量生产运用于电动助力转向中。国内对此类扭矩传感器研究较少。

电磁式传感器属于非接触式、结构简单，利于集成化，不需要额外的磁性材料，无需设定温度补偿、对传感器定子第 8期 李志鹏，等：电动助力转向系统扭矩传感器研究现状与发展趋势 13接收线圈进行相应的处理，可以实现扭矩和方向盘转角的复合测量，是电动助力转向扭矩传感器未来发展方向之-。

1.5 霍尔IC式扭矩传感器霍尔Ic式扭矩传感器主要是利用霍尔效应原理制成的。工作原理如图3所示 ：当转动方向盘时，传感器扭杆发生扭转变形，导致磁轭和多级磁铁发生转动，使得上下磁轭与多级磁铁发生错动，传感器的磁通发生变化 ，磁通的变化经过霍尔 Ic转换为相应的电压或电流变化，从而测量出相应的扭矩大型方向 。

霍尔IC2霍尔 ICl图 3 霍尔 IC扭矩传 感器原理 图Fig 3 Schematic diagram of Hall IC torque sensor霍尔 Ic扭矩传感器灵敏度较高，在工作温度内精度高、线性度好 、动态性能好。但是存在磁性元件 ，信号受温度变化影响，传感器结构复杂。目前 ，日本的捷太格特公司已将霍尔 Ic扭矩传感器装配于电动助力转向系统中，并将扩大电动助力转向扭矩传感器上霍尔 Ic的配备 比例。德国的 ZF公司的电动助力转向也采用了相应的霍尔效应式扭矩传感器。

1.6 磁阻式扭矩传感器磁阻式扭矩传感器是根据磁阻效应或巨磁阻效应制成的传感器。典型结构如图4所示：输入轴和输出轴通过扭杆连接 ，输入轴装有铁磁材料制成的齿轮信号盘 A，输出轴上装有铁磁材料制成的齿轮信号盘 B，C，信号盘分别对应安装着 MR传感器A，B，C，因为空气与信号盘磁导率不同，扭杆受扭转，信号盘A，B发生错动，通过齿轮信号盘的齿顶和齿根对磁场的影响，使得 MR传感器 A，B的阻值大小改变，转换为相应的电压变化 ，实现扭矩的测量。同理 ，根据信号盘 B，C可以测量方向盘转角。

图4 磁阻式扭矩传感器原理图Fig 4 Schematic diagram of M R torque sensor日本 KOYO公司根据磁阻效应研制开发的扭矩转角复合传感器，开始装配于电动助力转向系统中 ，德国的zF公司、美国 NEXTEER公司的电动助力转 向也配备了相应的磁阻效应扭矩传感器。国内武汉理工大学、重庆大学对磁阻效应扭矩与转角复合传感器进行了相应的研究，其传感器结构、信号变换方法、信号调理 电路均满足设计要求 。此种原理制成的扭矩传感器测量精度较高、有效性好、便于集成化。其灵敏度、频率特性、精度、线性度等均满足电动助力转向的性能要求 ，代表了电动助力转向扭矩传感器的发展方向。

2 发展趋势1)传统的电阻应计、电位计接触式扭矩传感器容易磨损，可靠性差。随着对电动助力转向可靠性和耐久性的要求不断提高，接触式扭矩传感器逐渐被淘汰，向非接触式传感器发展。2)随着对电动助力转向成本、空间、结构简单等要求的提高，传统的转角、扭矩单-传感器 已不能满足要求。电动助力转向传感器开始从提供单-扭矩信号向提供复合扭矩转角信号方向发展。3)随着新材料、新原理的发现和细微加工技术的发展与应用，开始对经典扭矩传感器进行改进，保留传统扭矩传感器 的优点，改善缺点，促进传统扭矩传感器的变革。4)随着机电技术、微电子技术等的发展，通过对传感器结构进行合理的设计和优化，旧能多地将处理电路整合到-个单独 Ic部件上 ，使扭矩传感器向着小型化、集成化方向发展。5)随着汽车电子化程度越来越高，各控制系统的相互联系。CAN等总线技术运用于电动助力转向中，减少汽车中传感器数量 ，实现电动助力转向的 ECU与其他车载 ECU实现数据共享-始向数字化、网络化方向发展。6)扭矩传感器是测量技术、信息处理技术、计算机技术、材料科学和微电子学等综合密集型技术，扭矩传感器将向具有自诊断功能、自校准功能、自补偿功能、自修正功能、自适应、自寻故障等更高级的智能化发展。

3 结束语本文从工作原理、研究进展及应用情况等几方面对国内外主导的几类电动助力转向扭矩传感器进行论述 ，比较各扭矩传感器的优缺点。

随着汽车电动助力转向装配率的提高，对满足结构简单、工作可靠、精度适中、价格便宜的电动助力转向专用扭矩传感器的研究成为必然。