电动助力转向系统转矩传感器

1 绪论
作为一种新兴的汽车助力转向系统,电动助力转向系统(EPS系统)具有重要的开发价值和广阔的应用前景。

EPS系统主要由机械转向系统、转矩传感器、控制器、电机减速器总成的组成。

转矩传感器是汽车电动助力转向系统（EPS系统）的关键部件之一，它的设计是EPS系统开发的关键技术其输出特性直接影响到EPS系统的控制性能。

目前用于机械测量的传感器主要有电感式、电容式、应变片式等几种。

这些传感器都存在一定的缺点和不足,或者结构复杂、或者测量电路复杂，使之成本高、应用范围有限。

我们针对上述的不足研制一种新型的转矩传感器------光电式转矩传感器。

1.1 传感器的国内外现状和发展趋势
传感器是控制中心赖以存在的信息源，通过传感器的处理，各种物理、化学量，如时问、光、电、温度、压力、速度、气体等可以转变成各种可接受信号。

传统的传感器主要用于动力传递系统、车身控制系统、通讯系统，以及提高汽车性能的系统上。

近10年传感器的队伍在不断扩大，汽车安全、节能、舒适和环保性能的进一步改善。

不同的传感器担负着不同的功能，各种传感器遍布车辆的各个角落，就象汽车派生的“触角”，感觉外界每一个细小的变化，并将这些信息传给最高控制系统。

这使得汽车所需要的传感器的种类和数量与日俱增，研制新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器称为实现汽车新功能的关键问题之一。

目前汽车上所使用的传感器约50多种，就其工作原理来讲分为：磁电式、光电式、磁敏电阻式、霍尔元件式、金属片式等。

而光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置，具有结构简单、响应速度快、可靠性较高，能实现参数的非接触测量，广泛应用于各种工业自动化仪表中，因此20世纪80年代以来，世界各国相继将传感器技术列为重点发展的技术领域。

近几年来，我国传感技术正在蓬勃发展，应用领域也在迅速扩大。

由于传感技术所涉及的技术如此广泛，它几乎渗透到各个科学领域，因此对传感器新理论的探索、新技术的应用、新材料和新工艺的研究将成为传感器总的发展方向。

具体地讲，主要有以下几个方面的动向。

（1）向高精度发展：
随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器，以确保自动化生产检测和控制的准确性。

目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远
远不能满足要求。

（2）向高可靠性、宽温度范围发展：
确保传感器工作可靠性的意义是很直观的，因为它直接关系到电子设备的抗干扰和误动作问题。

传感器的可靠性主要体现在：具有较长的使用寿命，能在恶劣环境下工作及具有失效保险功能。

研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。

提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

（3）提高传感器集成化及功能化的程度
传感器集成化是实现传感器小型化、智能化和多功能的重要保证。

现在已能将敏感元件、温度补偿电路、信号放大电路、电压调制电路和基准电压等元件电路集成在同一芯片上。

根据需要，今后将会把超大规模集成电路、执行机构与多种传感器集成在单个芯片上，以实现传感器功能与信息处理功能的一体化。

（4）向微型化发展：
各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。

利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

微机电系统（又称MEMS）技术借助集成电路的制造技术来制造机械装置，可制造出微型齿轮、微型电机、泵、阀门、各种光学镜片及各种悬臂梁等，而它们的尺寸仅有30—100µm。

微机电系统技术与微电子技术的结合，为实现信号检测、信号处理、控制及执行机构集于一体的微型集成传感器提供了可能性。

（5）新型功能材料的开发
传感器技术的发展是与新材料的研究开发密切结合在一起的，可以说，各种新型传感器孕育在新材料之中。

例如，半导体材料和新工艺的进展，促进了半导体传感器的迅速发展；压电半导体材料促进了压电集成传感器的形成；高分子压电薄膜的出现，将使机器人的触觉系统更加接近人的皮肤功能。

可以预料，不久的将来，高分子材料、金属互化物、超导体与半导体的结合材料、非晶半导体、超微粒陶瓷、记忆合金、功能性薄膜等新型材料，将会导致一批新型传感器的出现。

（6）向微功耗及无源化发展：
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。

目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5 A，而工作电压只需2～5V。

（7）向智能化数字化发展：
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

1.2 转矩传感器的发展概况
转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世纪三四十年代发展至今已有数十种产品，从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类，到现在应用最广泛的应变测量类。

随着低功耗微电子技术的发展，各类转矩传感器被赋予了新的生命，其性能也越来越好，可测的精度与转速也越来越高。

从传感器的分类来说，以往所有的转矩传感器都属于结构型传感器，由于都要利用弹性元件的机械变形，因此转矩传感器具有体积大、耗材多等缺点。

但由于工艺成熟、牢固可靠、价格低廉，与微电子技术和计算机技术结合后易实现数字化、自动化，所以仍有十分广阔的应用前景。

1、转矩测量的分类
转矩的测量，按它的原理可分为：传递法(扭轴法)，平衡力法(反力法)及能量转换法三类。

（1）传递法(扭轴法)
是根据弹性元件在传递转矩时由于弹性元件的变形、应力或应变而引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、振弦等物理参数的变化而形成的转矩传感器，目前此类传感器占转矩测量的绝大部分。

（2）平衡力法(反力法)
对于任何一种匀速工作动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机壳上必定同时作用着一个方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)，测量支座上的反力矩就可以确定机器主轴上作用转矩的大小与方向。

此种测量方法就是平衡力法。

也称反力法。

常用这种方法的有电力测功机、水力测功机和空气、磁粉等测功机类。

（3）能量转换法
根据能量转换守恒定律的关系来测量转矩的一种方法，它是一种间接测量方法。

一般来说误差较大，约lOb15 ，故很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。

2、传递类转矩传感器分类
目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛。

该类传感器按转矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式、钢弦式及机械式。

同时还可根据信号传输的方法不同而分为接触型和非接触型两种。

一般每分钟几百转以下
的低转速场合采用接触式。

每分钟几百转至一万转甚至更高的转速场合采用非接触式。

从转矩传感器的发展历程来看，电阻应变式转矩传感器由于具有测量精度高，结构简单，造价低廉，方便与计算机相联等一系列优点，无疑代表转矩传感器的最新发展方向。

下面着重讨论电阻应变式的转矩传感器及其相关电路。

（1）电阻应变式转矩传感器
电阻应变式转矩传感器历经了几十年的发展历程，其主要理论和生产技术已日趋成熟，尤其是与微电子技术结合后，使原有的诸如非线性补偿、温度补偿、滞后补偿、蠕变补偿都变得非常简单。

扭轴的应变可以引起贴在轴表面的电阻应变片的电阻变化，组成电桥即可形成应变式转矩传感器。

（2）接触式转矩传感器
接触式转矩传感器特点是：
①非常适合测量静止扭矩，也可以测量低速转动扭矩；
②体积小、重量轻、易于安装；
③无需复杂电路；
④存在导电滑环的磨损，寿命有限，不适合高转速场合。

（3）无接触式转矩传感器
无接触式转矩传感器的特点：
①无接触，使用寿命不限；
②转换精度高，A／D转换内码可达10万以上；
③由于采用微电子技术，测量可靠性大大提高；
④测量与旋转无关；
⑤体积小，重量轻，易于安装；
⑥由于内藏CPU 电路，可以实现各种补偿，使其精度大大提高，最高可达(0．03～0．1)﹪ F．S。

此种传感器与以往的其它类型的传感器相比较而言，由于真正实现了数字的无线发射与接收，因此它可以直接与带有232或485的数字仪表或计算机相联，可以实现联网测量与控制，是属于一种智能型数字转矩传感器。

2 电动助力转向系统转矩传感器的设计
转矩传感器是电动助力转向系统的关键部件，只有准确可靠地检测作用方向盘上操舵力矩，才能实现电机的助力控制。

论文以夏利汽车为研究对象，根据夏利汽车机械转向系统的结构和前轴载荷进行转矩传感器的设计。

2．1 转矩传感器机械结构的设计
2．1．1 机械结构的方案设计
受英国Lucas公司所研制的光电式转矩传感器的启发，在查阅相关资料的基础上，考虑到转矩传感器在夏利汽车上的实际安装位置和安装空间，决定采用图2—1所示的结构方案。

扭杆1嵌入转向轴上承受驾驶员的转向操舵力矩，套筒2和5通过销钉固定在扭杆的两端，由套筒2和5，铣有扇形槽的码盘3和4，光源7及光电元件6等部件组成信号变换器。

当无转向操作时，扭杆不承受转矩，码盘3和4上的透
图2-1 光电式转矩传感器结构
光槽正好错开，光电元件基本接收不到光源的光照，输出微弱电流（主要受微弱透光
及光电元件暗电流影响）；当有转向操作时，扭杆承受转矩，两个码盘错开一定的角度，产生一定的透光面积，光电元件输出电流增加。

透光面积随扭杆转矩的增加而增加，光电元件的输出电流也随扭杆转矩的增大而增大，通过光电转换电路的合理设计就可以使光电元件的输出电流值与扭杆转矩值成比例，从而准确地检测作用在方向盘上的操舵力矩。

2．1．2 转矩传感器材料的选择
1、扭杆材料的选择
扭杆属于弹性敏感元件，是传感器中的关键零件，它的选取是否适当直接影响整个转矩传感器的外形尺寸和线性度、精度、灵敏度等性能指标，因此扭杆材料的选取尤为重要。

弹性敏感元件的材料要求保证有良好的弹性特征、足够的精度、良好的稳定性和耐腐蚀以及良好的机械加工性能。

常用的有金属和非金属两大类材料。

常见金属敏感元件性能见表2—1。

表2—1 常用金属弹性敏感元件性能
名称代号弹性模量抗拉强
度
/107Pa 密度
/kg.m-
3
说明
E/1010Pa G/1010Pa
铬钢40Cr 21.8 100 7810 普通精度弹性
元件
合金结构钢30CrMnSiA 21.0 165 7810 重要高精度元
件
铬钒弹簧钢50CrVA 21.2 8.3 130 7810 适于交变载荷
的弹性元件
铬锰弹簧钢50CrMnA 20.0 8.3 130 7810 适于疲劳强度
好的弹性元件
不锈钢1Cr18Nig 20.0 8.0 55 7850 适于高强度耐
腐蚀弹性元件
铍青钢QBe2 13.1 8.0 125 8230 适于高强度、耐
腐蚀的弹性敏
感元件常用的非金属材料有（内耗小、滞后小，线胀系数为1/30，品质因数可达6—10；
力学性能和弹性性能好，用于高精度弹性元件）、陶瓷（应力应变关系为线性，适于抗腐蚀和温度特性要求高的弹性元件）、蓝宝石（几乎没有迟滞，线性和重复性极好，用于高精度弹性元件）。

在这些非金属材料上，可以通过半导体加工工艺直接制作敏感栅及其补偿和测量电路，有利于提高传感器的性能，但成本高，价格都比较昂贵。

通过对上述材料的分析比较，结合光电式转矩传感器的受力特点以及实际使用的要求，决定选用铬钒弹簧钢（50CrVA ）
2、其它零件材料的选择
码盘的加工精度直接关系到传感器的各项性能，由于码盘并不承受力的作用，以便于加工的角度出发，选用优质45号钢。

至于套筒，选择通用钢即可，为了安装方便，可以考虑将其和码盘在一起加工制作，这样，套筒也可选用优质45号钢。

2．1．3 结构尺寸的确定
针对夏利汽车的具体情况，根据参考文献并结合驾驶员对转向轻便性和路感的要求，驾驶员作用在方向盘上的最大转矩为10N.m ，所以光电式转矩传感器扭杆所承受的最大转矩也为10N.m ，考虑到转向时扭杆要承受正反两个方向的转矩，故其测量范围应为±10N.m 。

在10N.m 转矩的作用下，扭杆所产生的扭角应大小适宜，若扭角过小，会降低转矩传感器的灵敏度；若扭角过大，会降低转矩传感器的精度。

此外，过大的扭角还会引起方向盘较大的转向振动。

借鉴普通液压助力转向系统中所用的扭杆在10N.m 的转矩作用下扭转角度为50左右,故在转矩传感器的设计中也以此指标作为衡量扭杆特性的基准。

为了保证光电转换输出信号具有较好的线性度，确定码盘扇形槽所占有的角度为50。

为了使传感器能正常工作，扭杆要保证在±10N.m 测量范围内，扭转变形角应不超过±50。

根据扭杆所承受的最大转矩和应产生的扭角，就可以确定扭杆的最小刚度K min .即
min M
K θ= （2—1）
经计算，得K min =114.6m/rad,为了保证在较大转矩下两码盘的相对错转角不会超过50，可以适当增大扭杆的刚度，但是不能增加太多，以免降低传感器的灵敏度。

为此，将K 值确定为123N.m/rad 。

由材料力学知识，扭杆的扭角为：
o p
M L GI θ= （2—2） 则
p
o GI M L θ=⋅ （2—3）
所以
p
o GI K L = （2—4）
由K 、G 以知，可得到
p
o I K L G
= （2—5） 式中，M ——扭杆承受的扭矩（N.m ）；
G ——扭杆的剪切弹性模量；
I P ——扭杆横截面对圆心的极惯性矩（m4）;
L 0——扭杆的有效长度(m);
θ——扭杆的转角(rad);
由于安装空间限制了L 0,L 0确定了，d 0也确定了。

所以根据2.1.2节弹性材料的切变模量G =8.3×1010Pa ，且K =123N.m/rad ，将之带入式（2—5）中，并对扭杆的有效长度和直径进行协调，得到扭杆的合理尺寸：
L 0=148mm,
d 0=6.88mm 。

传感器其它相关结构尺寸经过互相协调，都已确定。

2.2 信号处理电路的设计
2.2.1 光电元件的选择
该传感器采用光电式原理测量转矩，光电器件的选择影响着传感器的电气特性，关系到其整体性能，是相当重要的一环。

发光元件选用发光二极管（LED ），虽然与激光二极管（LD ）相比，LED 的发光纯度低的多，但是其具有温度稳定性好，功率小、发光阈值低、寿命长、价格便宜等优点，这些优点使电动助力转向系统具备了更高的可靠性和实用性。

应用LED 时需要注意以下几点：
（1）稳定的发光强度
光源（LED ）发出的发光强度对测量精度有很大影响，因此要保证光强度的稳定。

这要求LED 必须由稳定的电源供电，由于恒压电源比恒流电源更易于实现，电路中采用了集成稳压器（2.2.3节详细论述）来稳定供电电压，同时，LED 还要串联适当的限流电阻。

（2）发光强度的均匀性
光电转换元件的输出的电流（电压）与接受的光强密切相关，发光强度的不均匀 会影响转矩传感器的输出特性，所以至少要保证发光管在集中发光方向上具有比较均
匀的发光强度。

(3)功耗
一般来说，发光管的体积和其功耗成正比，选功耗小的发光管有利于缩小传感器尺寸。

在实验中选用了BPW34型单晶硅太阳能光电池作为光电元件，其标注尺寸为3mm ×3mm，敏感波长在0.6—1.0um；LED暂时选用普通亮度玻璃封装发红色光的二极管，其波长为0.665um正好被上述区域覆盖，半角值为150.设计中如有机会，最好选择高亮度的用环氧树脂封装的高指向性白色发光二极管。

2.2.2 放大电路的基本原理
光电池是利用光生电势效应，将光能转换成电能的一种半导体器件。

分析光电池
（a） (b)
图2—2 光电池输出特性与受光面积的变化
的特性，可知其通常被采集的信号是短路电流和开路电压。

图2－2（a）和2-2(b)分别表示了两类信号随光照面积的变化趋势。

由图中可以看出，短路电流在很大范围内都与受光强度保持良好的线性；而开路电压则不同，在受光能量稍大时就趋于饱和了。

因此设计光电转换电路时，应将光电池的短路电流进行放大或进行短路电流—电压转换，这样才能保持传感器输出信号具有良好的线性。

在此设计思想的指导下，初步设计出信号处理电路的原理框图（图2－3）。

图2—3 信号处理简化流程图
对光电池短路电流的电流电压转换采用图2-4所示的电路，它利用运放两个输入 端之间的虚短路来采集光电池的虚短路电流，并将其转换为电压信号。

由于信号处理电路采用统一的单电源供电（2.2.3节会述及其优点），此时要使运放象双电源一样工作，就要进行电压偏置。

如图所示，通过两个相等的电阻分压（R2=R3），将运放同相端的电位抬高到Vcc /2，输出电压与输入电流的关系为：
12
o Vcc V i R =-⨯+
（2-6）
图2—4 光电池短路电流电压转换电路图
2.2.3 电源及工作参考点的确定
通常情况下,运算放大器由双电源供电，这在实验室易于实现，但在实际应用中，由于受到客观环境条件的限制，常常需要将正电压反转为负电压。

车用蓄电池为单一电源，如果能直接利用，不仅可以大大简化电源设计的复杂程度，缩小电路板尺寸，而且由于电源种类的减少，电路中的干扰也会降低。

但是，车用蓄电池电源有一个显著特点就是电压不稳定。

比如轿车上使用的蓄电池电源，由于受外部负载的变化及充电电流的强弱变化的影响，可能会在9--15V之间波动。

这必然会影响到运算放大器的静态工作点，而且如2.2.1节所述，还会改变LED的导通电流，致使发光强度发生波动，最终影响转矩传感器输出信号的稳定。

所以，为了使转矩传感器能够稳定工作，必须设计专门用于转矩传感器放大电路的稳定工作电源。

在电动助力转向系统中，转矩传感器的输出信号最终传送给单片机，因此其输出电压必须与单片机的采样范围相匹配。

考虑到本系统中所用的单片机采样范围为0--5V，因此，转矩传感器最好也采用5V供电。

为此经过查阅相关资料，将几种蓄电池电压稳定到5V的稳压方案进行了对比（表2-2）。

表2-2 几种稳压器件的特性比较
稳定器件工作原理及实验测量结果
稳压二极管属并联型稳压电路，利用稳压二极管反向击穿特性对输出电压进行稳定，需要外串电阻来分压，功率浪费较大，带负载能力差，温漂较大，约为0.1%0C；而且稳压值的个体差异较大。

差异范围4.6~5.4V。

大电流下发热严重，不易采取散热手段。

三端集成稳压器（78L05）属于串联型稳压电路，内部往往带有误差较大的反馈网络，温漂小，对于78L05集成线性稳压器，190C时4.96V。

900C时4.92V。

精密电压参考源（REF02）温度漂移极小，达到8.5ppm/0C；电源电压变动抑制比高达-66dB。

属于电压参考，输出电流不高，适用于比较器电压参考源，或者小功率负载电路。

精密电压参考源（MAX875）大致优缺点同上，与REF02相比，具有更高的输出精度和更优秀的温度稳定性，温漂达到7ppm/0C，电源电时，扭杆不承受转矩，码盘3和4上的透光槽正好错开压变动抑制比则高达-96dB。

表2-2中的后三者对于转矩传感器放大电路都有适用性。

三端集成稳压（78L05）
价格相当便宜，在温度漂移要求不是很高的场合下使用具有较好的性价比。

78L05的输入电压范围是7—33V。

图2-5显示了其输出电压与温度之间的关系，同时实验也证明电源部分温度在15—800C之间变化时，传感器的输出结果没有明显的温度漂移。

经过分析对比，选用三端集成稳压器作为转矩传感器放大电路的稳定工作电源。

使用78L05作稳压芯片设计的稳压电源电路如图2-6所示。

在电路设计时，考虑了以下几个方面的问题：
(1)电源去耦
图2-6中，在蓄电池的输入端和稳压输出端对地短接适当的电容，其中输入端的去耦电容用来消除电池等效内阻在供电时发生抖动所产生的毛刺，输出端的去耦电容用来消除稳压芯片输出电压的毛刺。

不同量的电容分别对不同频率的毛刺起作用。

(2)输入端加电感
78L05DE 输入端串接一个数十微亨的电感，作用是减小蓄电池电网电压瞬变对系统产生的影响，如点火时的电压骤降、骤升产生的尖峰，在没有缓冲的情况下都可能通过稳压器件而影响后继电路工作电压的稳定。

(3)防止电源反接
图2-6中电感的前面还放置了一个二极管，这是用来防止电源反接对集成电路造成的破坏。

其实在实际产品电路中是没有必要放置该二极管，因为专用插接件的使用，不会存在电源极性颠倒的可能，而且二极管上也会产生一定的功率损耗。

图2—6 78L05在传感器中的应用
选用5V单电源给放大电路供电，就必须使用单电源工作的运算放大器。

如图2－4所示，参考电位不再是双电源的0V，而是2.5V。

选择2.5V作为放大器的静态工作点，在传感器的失效保护和安全自检上都有突出的优点，在2.4节中会详细讲述这一点，图2－4虽然给出了抬高参考点电位，获得2.5V电压的方法，但是这种设计方案的使用性并不强。

首先，同一标称值的电阻值不可避免的存在误差，不经过筛选就进行焊接很容易使参考点发生偏差；其次，电路使用运放较多，如果象这样给每只运放都配置参考点，不仅会浪费线路板空间，还会使其工作在不同的参考点上，造成整个电路的参考点不统一，这样必然就会增加电路的失调值，减弱电路对微弱信号的检测能力和保真度；最后要考虑实际因素，筛选电阻的工作量大，只适于实验，不适合批量生产。

解决上述矛盾的方法是利用电压跟随器为整个电路提供参考点电压，这样即使参考电压便于调节，又使各个运放的静态工作点完全相同。

所设计的电压跟随电路如图2－7所示，图中，放大器反馈回路中并联电容C1，其作用是与电阻R1匹配，以消除放大器的自激震荡，串入电阻R2起一定的限流作用，防止电流过大，击穿放大器，电容C2接地是为了消除对地噪声的干扰，串入小的电阻器VR更便于调节参考电压。

以保证输出信号为2.5V。

2.2.4 电路元件的选择。