扭矩传感器-burster扭矩传感器

为了检测绝对转角信号， valeo 的 ASU 方案中在跟输入轴上先增加了一个大 的 齿轮 ，然后 又安 装了 两个 速比 不一 样的 AS 齿 轮和 RS 齿轮（下 图标 注有 BUG， 请 读者 自行 找茬 ）， 其 中 AS 齿轮 与大齿 轮的 速比 为 360:144， RS 齿 轮与 大 齿 轮的 速比 为 360:2448.在 该齿 轮上 安装 有两 个另 外的 永磁 体 ，各 有一片 Hall 芯片（无磁场传导单元）来采集 AS 和 RS 的信号。
一 般来 说，电动 助力 转向系 统的 基本 策略 如下 图，可 见其 所有 基本 控制 模块 ， 输入要么需要方向盘力矩信号，要么需要方向盘转角信号（方向盘转速通过 转角信号计算得到），这两个信号一般来说是通过一个扭矩转角传感器 TAS （ Torque and Angle Sensor） 来获 取。 本文 浅尝 辄止 地讲 一讲 目前 EPS 系 统中用到的主流扭矩转角传感器。
（2） 旋变式非接触式 TAS 旋 变式 的非 接触 式 TAS 在日 本的 EPS 供应 商中 应用 比较 多一 些，其基 本原 理 为定子线圈上提供一个正弦的励磁电流，在气隙中空间形成一个正弦分布的 旋转磁场，转子线圈感应该磁场得到一个与励磁同频率但不同赋值和不同相 位的正弦电压信号，通过解析该感应电动势可以得子转子线圈的位置，从而 得到测量扭杆偏转角。
（3） 霍尔式非接触式扭矩传感器 这 一类 的 TAS 是目 前市 场上 用得 最多 的，市 场占 有量 最大 的厂 家分 别是 海拉 、 法雷奥和博世。三家的传感器虽然都是应用的霍尔效应，但在其信号产生机 理和应用上却有本质的区别。 首先让我们来看看什么是霍尔效应？ 在与磁场垂直的 N 型半导体薄片上通以电流 I，由于 N 型半导体的载流子为 电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发 生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形 成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力与洛仑兹力 相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间 建立的电场称为霍 尔电场 ，相应的电势称为霍尔电势 。
其信号特征见下：
3.3 Hella 的 TAS 方 案
Hella TAS 传感器方案最大的创新在于： 完 全抛 弃永 磁体 ，通 过在 PCB 上的 印制 线路 形成电 感线 圈， 在线 圈两 端施 加
电 压以 后即 在空 中形 成 hall 效应 所需 要的 磁场 为 了测 量绝 对角 度， 跟 Valeo 的 方案 比， 只增 加了 一组 齿轮
3.2 Valeo 的 TAS 方 案 Valeo 的传感器也是使用永磁体励磁，但是只有永磁体和传感单元两个单元。 跟 Bosch 的传 感器 相比 较 ，我 们可 以理 解成 valeo 把 FTU 和 SU 做 了集 成化 。
永 磁体 励磁 的 TAS 扭矩 检测 原理 如下 图所 示： （ 1）永磁 体在 圆周 上均 匀分 步 n 对磁 场 N－ S 极（一 般为 8 对），磁 场在 气 隙内呈均匀正弦分步 （ 2）当 永磁 体和 磁场 传导 单元 发生 相对 角位 移时，磁场 传导 单元 所在 位置 的 空间磁场发生相应变化 （ 3） Hall 芯 片感 应磁 场传 导单 元所 在位 置的 磁场， 并将 其转 换成 电压 信号
Hale Waihona Puke Baidu
通过以上的定义，显然如果要利用霍尔效应产生电势，需要以下几个条件： 磁场（可以是永磁体生磁，也可以是电生磁） 半导体薄片（芯片厂搞定） 半导体薄片上通过一个电流
其结果为： 在半导体薄片上与磁场和电流平面垂直的方向产生一个电势，该电势大小与
磁场方向及电流大小有关。
3.1 BOSCH 的 TOS/TIS 方 案
（1） 接触式电位器扭矩转角传感器
接触式传感器主要代表有日系早期的扭矩传感器和 BI 公司的第一代扭矩转角 传 感器 。其 感知 元件 均采用 高精 度电 位器 ，当 扭杆发 生形 变转 过一 定角 度时 ， 机械结构巧妙地带动电位器同步旋转相应的角度，从而引起电位器的电阻发 生变化，达到测量角度的目的。
其 检测 的机 理为 ，两 个转 子分 别检 测 40°信号（以 40°为 周期 ）和 20°信 号（ 以 20°为周期），每一个转子实际上有三组相位互差 120°的线圈，三组线圈同 时接入感知芯片中。 减 速齿 轮与 valeo 的方 案相 似， 输出 PWM 信 号， PWM 【min max】对 应 转角【 -738° 738°】。
传 感器 由 MU（ 永磁 体单 元） 、FTU（磁 场传 导单 元）和 SU（传 感单 元三 部 分组成）。 其 信号 输出 类型 有模 拟量 、PWM 和 PAS4 协议 、PSI5 协 议几 种类 型。MU 的 磁 性非 常大 ，而 为了 获得 准确 的扭 矩精 度，对 MU、FTU 以及 SU 之间 的装 配 间隔的要求也相当高，给小总成的安装工艺带来的问题比较多。
TAS 的扭 矩检 测功 能， 其本 质上 还是 一个 转角 传感 器， TAS 与扭 杆组 装在 一 起构成扭矩传感器总成，方向盘转动时，扭杆与扭矩传感器的上半部分与下 半部分存在一个相对偏转角， TAS 就是通过检测这个相对转角来测量方向盘 力矩的。
在 实际 的应 用中 ，还 有 TIS（ Torque+Index Sensor）和 TOS（ Torque Only Sensor）两种 ，TIS 只 能提 供扭 矩信 号和 绝对 转角 的过 零信 号脉 冲，系 统可 以 结合电机角度来得到方向盘角度； TOS 只能提供扭矩信号。 TAS 发展至今，大抵经过了接触式传感器和非接触式传感器两个阶段，接触 式传感器由于传感元件之间一直存在滑动摩擦，因此在使用过程中容易受到 磨损老化，出现测量信号不准确甚至报错的情况。这种类型的传感器已经逐 渐被淘汰。 TAS 大抵可以分为如下几类，下文将分别述之。