非接触式扭矩传感器在EPS中的应用_包寿红

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非接触式扭矩传感器在EPS中的应用
包寿红， 罗嗣周 （浙江福林国润汽车零部件有限公司， 浙江 台州 318050）
摘 要 ： 介 绍 非 接 触 式 扭 矩 传 感 器 的 基 本 结 构 和 原 理 ； 通 过 对 该 传 感 器 在EPS系 统 应 用 中 出 现 跑 偏 问 题 的 分 析 和 改进， 使非接触式扭矩传感器构成的EPS系统更趋于实用和完善。
测量前， 对线圈的引出线用约50 N的力进行拉拔），
数据如表1所示。
通过表1线圈电压差值看出， 传感器2组线圈的
电压差已大于30 mV， 有2组远远大于这个数字， 说
表1 传感器线圈基本参数
测量次数 线圈电压差 ／ mV L1线圈阻值 ／ Ω L2线圈阻值 ／ Ω
1 40.5 24.304 12.027
量， 其他谐波分量被抑制， 波形为正弦波形； 从式
（10） 也 可 以 看 出 ， 电 压 Uc1与 电 感 L1是 成 正 比 的 ， 这是传感器测量的基础。
当转动转向盘时， 扭力杆受转向盘的转动力矩
作用发生扭转， 使输入轴及输入轴上的漏磁环和输
出轴上齿条之间的相对位置发生改变， 图4a和图4b
分别为左转和右转时漏磁环和齿条的相对位移改变。
（5）
对于1次谐波， K=1， 复阻抗
Z1=
R+jωL1 1-ω2CL1+jωRC
（6）
·· U1=Z1I1=
R+jωL1 1-ω2CL1+jωRC
2Im 姨2 π
（7）
·
·
由于Z1的阻抗角非常小， 电 压U和 电 流I可 以 看
成同相。对于3次谐波， K=， 复阻抗Z3=R+j3ωL1 1-9ω2CL1+j3ωRC
式， 寿命长、 可靠性高、 不易受到磨损、 有更小的
延时、 受轴的偏转和轴向偏移的影响小， 因此广泛
应用于轿车和轻型车中， 是EPS传感器的主流产品。
1.1 非接触式扭矩传感器的基本结构
图1为非接触式扭矩传感器的典型结构。 漏磁
环铆接在输入轴上， 跟随输入轴转动， 输出轴上有
齿 条 ； 漏 磁 环 有 两 排 窗 口 ， 分 别 和 传 感 器 线 圈 L1、 L2对应， 2个线圈如图1所示， 装配于传感器壳体中。
故障描述一 方向自动跑偏， 传感器初始化后
助力正常， 经过颠簸路面行驶后， 又出现自动跑偏
现象， 更换多个控制模块后仍存在上述现象。
上述故障中， 首先对管柱上的传感器线圈电压
进 行 测 量 ， 观 察 线 圈 的 信 号 电 压 差 值 是 否 在30 mV
之内， 同时对2组线圈的阻值也进行了测量 （每次
力电流。
图4a左转向过程中， 漏磁环上部的窗口露出齿
条 ， 扭 力 越 大 露 出 越 多 ， 电 信 号UL1的 电 压 就 越 大 ， 但此时漏磁环下部窗口是没有齿条露出的， 因此传
感器线圈UL2没有信号电压输出； 图4b是右转向， 情 况 刚 好 与 图4a相 反 。 这 样 ， 通 过 比 较 线 圈L1和L2的 信号电压差， CPU就很容易检测 出 是 右 转 向 或 左 转
初始化， 即确定传感器的初始零点， 使传感器线圈
L1和L2信 号 电 压 输 出 相 等 ， 电 压 差 为 零 ， 但 在 实 际 使用中， 初始化好的电动助力转向系统仍少量存在
跑偏的现象， 甚至个别出现多次调零仍存在跑偏的
问题。
图5为右轻左重
故障件的输入转矩波
形， 从图5中看出，
右 转 时 输入转矩6 Nm
IS=
Im 2
+
2Im π
（sinωt+
1 3
sin3ωt+
1 5
sin5ωt+…）
（4）
式中： Im ／ 2— ——方波的直流分量；
2Im sinωt— —— π
方 波 的 基 波 ， ω=2π ／ T； 其 余 为3次 、 5次 等 高 次 谐
波分量。
直流分量单独作用时电路的响应为
Ul1= RIm 2
关键词： 非接触式扭矩传感器； 基本原理； 应用和改进 中图分类号： U463．444 文献标识码： A 文章编号： 1003－8639（2010）06－0011－05
Non-contact Torque Sensor in the Application of EPS BAO Shou-hong， LUO Si-zhou
电 动 助 力 转 向 系 统 （EPS） 是 一 种 直 接 依 靠 电 动机提供辅助扭矩的动力转向系统， 具有很多优 点： 如仅在需要转向时才启动电动机产生助力， 能 减少发动机燃油消耗； 能在各种行驶工况下提供最 佳助力， 改善汽车的转向特性； 通过扭力杆连接， 缓冲来自路面的冲击； 通过CAN总线， 电动助力转 向系统可以与整车电气系统连成一体， 便于控制。 因此是未来动力转向系统的发展趋势。
扭 力 杆 是 EPS 转
向管柱中的重要部
件， 扭力杆的一端通
过细齿形渐开线花键
和转向盘上的转向输
入轴连接， 另一端通
过径向销与转向输出
轴连接， 基本结构如
图2a所示。 当扭力杆
受转向盘的转动力矩 T作用发生扭转时，
图1 非接触式扭矩传感器
其扭转的切应力τ和变形角Φ分别为
τ= T = 16T
（1）
Zi Δd3
则很稳定， 一直保持在
12 Ω左右 ， 这 说 明L1导 线存在接触不良的问
题。 经拆解， 发现线圈
图6 传感器引出线虚焊
L1棕 色 导 线 已 脱 焊 （图 6）， 更换管柱即更换传感器后， 跑偏故障消失。
以 图 4a 为 例 ，
根 据 式 （ 3） 可
知， 漏磁环和齿
条的相对位移改
变量等于扭力杆
的扭转量， 输入
的扭矩越大， 扭
转的角度就越 大， 漏磁环上部
图4 漏磁环与齿条的相对位移改变
窗口的齿条 （铁磁性物质） 露出的部分就越多， 使
得 漏 磁 环 上 部 分 的 磁 导 率 增 强 ， 电 感 系 数L1增 大 ； 根 据 式 （10）， 可 知 采 集 的 电 压 信 号 Uc也 增 大 。 电 压 信 号Uc在 经 过 相 关 电 路 的 整 流 、 滤 波 、 放 大 后 ， 送入CPU进行处理， 从而控制电 动 机 输 出 相 应 的 助
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K= T = Δd4
（3）
Φ 32l
式 中 ： d— ——扭 力 杆 直 径 ； L— ——有 效 长 度 ；
Ip— ——惯性矩； Zi— ——抗扭截面系数。
图2b为扭力杆角度和力矩特性曲线 ， 斜率即为
扭转刚度K。 从式 （3） 可以看出， 扭力杆的扭转角
向， 转向盘施加的转矩是多大。
转向盘处于中间位置 （直驶） 时， 漏磁环上下
2个窗口均没有齿条露出， 因此传感器线圈L1和L2没 有信号电压输出， 电压差为零 ， CPU很 容 易 判 断 此
时转向盘没有施加转矩， 因此也无须提供助力， 这
也是减少发动机燃油消耗的原因。
12 《汽车电器》2010 年第 6 期
度与转向盘上施加的扭力成正比。
1.2 非 接 触 式 扭 矩 传
感器的基本原理
非接触式扭矩传感
器属于电感式传感器之
一， 是建立在电磁感应
原理的基础上， 利用线
圈电感或互感的改变来
实现非电量的测量。
图3a是 非 接 触 式 扭
矩传感器检测的基本原
理 图 （L2组 的 电 路 与 L1 组相同， 省略）， EPS控
多， 但左转时输入转
矩为7.5 Nm， 左转的转 矩要大1 Nm多， 这 与
图5 跑偏故障件输入转矩波形
实际的行驶状态一致。
2.2 跑偏的原因分析
根据图1非接触式扭矩传感器结构， 可知齿条
和漏磁环的窗口、 传感器线圈与漏磁环的窗口之间
配合是一一对应的， 但由于各种因素如制造、 装配
等误差的存在， 要做到完全对应是很难的， 因此线
圈的电感量都会有一定的偏差。 这种偏差造成传感
器 线 圈L1和L2的 信 号 电 压 值 不 一 定 完 全 相 等 ， 根 据 实 测 ， 传 感 器 线 圈L1和L2的 信 号 电 压 差 值 不 能 超 过 30 mV， 否则就会有跑偏的现象发生。
引起跑偏的原因有多种， 现仅针对市场上较为
常见的一种类型进行分析。
制 器 的CPU首 先 输 出 一 方 波 信 号 IS， 通 过 传 感
图2 扭力杆
器及相关电路， 转化为正弦波信号， 在经过相关电
路的整流、 滤波、 放大后， 送 入CPU进 行 处 理 ， 完
成信号采集， 简化电路如图3b所示。
正弦波
方波
图3 检测原理图
将 方 波 电 流 IS用 傅 立 叶 级 数 展 开
2 98 5×106 11.994
3 70 498.5 12.112
4 59 22.785 12.834
5 102 4.7×106 12.350
明 跑 偏 现 象 比 较 严 重 。 再 观 察L1线 圈 （棕 色 导 线 ） 阻值， 从几十欧到几十
兆欧不等， 阻值不断变
化 ， 无 法 准 确 测 量 ； L2
Φ= TL = 32TL = 2d
（2）
GIp Δd4G dG
扭转刚度为
修改稿收稿日期： 2010－03－13 作者简介： 包寿红， 男， 高级电子电气工程师， 毕业于同济大学工业自动化专业， 从事汽车电器的产品改进和设计工作； 罗嗣周， 男， 工程师， 浙江福林国润汽车零部件有限公司质量部部长。