基于KMZ60的EPS转角传感器设计

基于KMZ60的EPS转角传感器设计
摘要方向盘转角信号是电动助力转向系统和车身电子稳定系统的重要输入量。

本文借鉴国内外成熟的方向盘转角测量方案，解释了游标法测量方向盘绝对转角的方法，设计以磁阻式磁场角度传感器KMZ60与MC9S08DZ60单片机为核心的硬件电路和相应的信号处理方式，开发成本低廉、能够实现多圈测量的非接触式转角传感器。

通过专用的测试平台对转角传感器进行标定，验证转角传感器能够基本满足电控系统的精度需求。

关键词转角测量；转角传感器；游标法；KMZ60
0 引言
为了使汽车更加节能、安全、环保，越来越多的汽车开始装配电动助力转向系统(EPS)和车身电子稳定系统(ESP)。

传统的有刷电机EPS只装配转矩传感器，转向盘转速信号主要依靠估算的方法获得。

但这种方法的误差较大，限制了EPS 性能的进一步提高。

将方向盘转角传感器引入EPS，能够有效提升EPS的回正和摩擦补偿性能，改善汽车的操作稳定性。

此外，ESP等底盘电控系统需要从EPS共享转角信号，实现各自的控制功能，从而实现底盘一体化控制。

经过多年的研究和发展，方向盘转角传感器从最初的电位计式、单圈测量的传统角度传感器，发展到能够非接触式、多圈测量的智能传感器。

以博世公司LSW3为代表的游标法转角测量方案是一种比较理想的多圈测量方案，因而被多家公司应用于各自的转角传感器中。

国内高校在其基础上做过多种仿制和改进，且大多采用集成CORDIC模块的角度测量芯片，该类型芯片通常成本较高，因而难以控制转角传感器的成本。

本文借鉴LSW3的机械结构，自行开发传感器的硬件电路，设计信号的软件处理流程，研发了一款结构简单、价格低廉、精度适中、能够实现多圈测量的方向盘转角传感器。

1 测量原理
通常轿车方向盘的机械行程为3圈，即1080°左右。

通用的磁场角度传感器包含各向异性磁阻型(AMR)、巨磁阻型(GMR)以及霍尔型(Hall)等类型，三者的量程通常是180°(AMR型)和360°(GMR型、Hall型)，因此，转角传感器的核心在于扩展传感器量程，采用小量程的磁场角度传感器实现多圈测量。

LSW3转角传感器的结构如图1所示，传感器主要由壳体、齿轮组、AMR 芯片、微控制器等部分组成。

大齿轮安装在转向轴上，其旋转的角度等于方向盘转角，两个小齿轮通过外齿与大齿轮啮合。

两个AMR芯片安装在PCB板上，与固定在小齿轮上的磁铁相对，磁铁表面磁力线旋转的角度等于小齿轮围绕中心轴线旋转的角度，微控制器根据AMR芯片的输出值测量两个小齿轮的转角，进而推算大齿轮的绝对转角。

本文参考LSW3的转角测量方案，保留其机械结构和测量原理，自行设计硬件电路和信号处理方案。

齿轮组采用LSW3的齿数设计，即大齿轮齿数为42，小齿轮的齿数分别为26、28。

图1 博世LSW3结构图
设大齿轮的绝对转角为θ，两个小齿轮的转角为φ1和φ2。

依照θ、φ1、φ2的传动关系，φ1、φ2的表达式如式1所示。

式1
则两个小齿轮的转角差Δφ的表达式如式2所示。

式2
由式2可知，方向盘转角θ变化时，两个小齿轮的转角以不同的速度线性变化，二者之间的转角差Δφ与θ成线性关系，且比例系数为(26÷3)。

当方向盘旋转1080°时，两个小齿轮的转角差Δφ小于125°。

游标法测量方向盘绝对转角的基本原理就利用幅值较小的小齿轮转角差Δφ唯一地表征量程较大的方向盘转角θ。

本文采用AMR型磁场角度传感器KMZ60来测量两个小齿轮的转角，KMZ60的量程只有180°，它输出信号是以磁场角度为自变量，180°为周期的函数。

实际测得的φ1和φ2的表达式如式3所示。

式3
因此，两个小齿轮之间的转角差的表达式如式4所示。

式4
结合式2和式4，可以得出，方向盘绝对转角θ的实际计算表达式为：式5
由式3可得，小齿轮1每旋转180°，对应的KMZ60输出的信号重复一个周期，对应方向盘旋转的角度约为111.4°；小齿轮2旋转180°，对应的方向盘旋转的角度为120°，二者的最小公倍数为1560°。

即大齿轮旋转1560°的范围内，两个小齿轮对应的KMZ60的输出信号的组合具有唯一性，依据式5计算的转角差能够唯一地表示大齿轮的转角，因此，本文设计的转角传感器的量程为1560°。

φ1、φ2和Δφ随方向盘转角θ的变化规律如图2所示。

图2 φ1、φ2和Δφ随方向盘转角θ的规律
3硬件电路结构
由传感器的工作原理可知，转角传感器的输入量是两个角位移信号，即小齿轮的转角，而传感器的输出量则是数字化的方向盘绝对转角θ。

硬件的硬件电路需要感应因两个小齿轮的旋转而引起的磁场角度变化，并将其转换成方便进行信号运算的电信号，单片机通过对传感器输出的电信号，推算出方向盘的绝对转角θ，并通过总线网络向外发送计算结果。

本文提出的转角传感器的硬件结构如图3所示。

转角传感器由电源模块、AMR测量模块、低通滤波、单片机以及CAN通讯模块等五部分组成。

图3 转角传感器硬件结构图
1）电源模块：车载电源的电压通常为12V左右，其电压随着发动机、车载电气设备、蓄电池状态等因素而波动。

电源模块采用稳压芯片将纹波较大的12V 输入电压调节为稳定的5V输出，为AMR测量模块、单片机等传感器硬件电路提供稳定的能量供应；
2）AMR测量模块：本文设计的转角测量方案采用两个AMR型磁场角度传感器KMZ60作为磁场检测芯片。

KMZ60是NXP公司于2011年针对汽车和工业应用的无刷直流电机(BLDC)控制而推出的AMR型磁场角度传感器，它内部集成了两个AMR电桥和放大器。

两个AMR电桥的输出电压随磁场角度φ的变化而变化，输出两路关于2φ的正弦和余弦信号。

而内部集成放大器对两路正余弦信号进行幅值放大，使KMZ60输出V级的模拟信号，保证模/数转换器(ADC)能够直接对两路信号进行模/数转换；
3）低通滤波：转角传感器的工作环境较为恶劣，会受到多种干扰，KMZ60的输出信号的有效部分是关于2φ正余弦分量，而外部的干扰信号会叠加到有效信号中，为转角计算引入偏差。

方向盘转角信号属于低频信号，KMZ60的输出信号经过一阶低通滤波器，高频的干扰信号被滤除，有效的低频信号进入单片机的ADC输入端；
4）单片机：本文采用Freescale公司的MC9S08DZ60单片机作为转角传感器的运算核心。

MC9S08DZ60单片机的片内外设包含精度高达12bit的ADC和MSCAN模块。

单片机通过ADC将两个KMZ60输出的4路正余弦模拟信号转换为CPU可以处理的数字信号，经过CPU对4路信号进行数字信号处理，推算出方向盘转角，并通过MSCAN模块将方向盘转角信号打包成数据帧，加载到CAN网络；
5）CAN收发器：CAN网络有严格的总线仲裁机制以及物理层定义，CAN 收发器实现MSCAN模块和CAN网络之间的电平转换，保证转角传感器与电控系统的正常通信。

4 软件处理流程
传感器的硬件电路实现了4路模拟信号的幅值放大和低通滤波，4路信号以模拟量的形式进入单片机。

单片机需要完成4路模拟信号模/数转换，并对4路数字化的正余弦信号进行信号处理，得到方向盘的绝对转角。

本文的软件处理流程如图4所示。

图4 软件处理流程图
单片机上电后，首先配置系统的GPIO、ADC、MSCAN等外设资源，保证外设正常的工作时序。

之后，单片机开始对两个KMZ60输出的4路信号进行A/D转换，并等待A/D转换完毕。

由于制造工艺等问题，KMZ60输出的正余弦信号是包含直流偏置，且幅值不相等。

小齿轮1对应的KMZ60输出的正余弦信号的表达式为：
式6
磁阻式角度传感器通常需要进行软件补偿，软件补偿包含两个步骤，即直流偏置补偿和幅值补偿，直流偏置补偿的作用是滤除正余弦信号中的直流偏置offset，使每路正余弦信号正比于正弦或余弦函数。

经过直流偏置补偿的正余弦信号再经过幅值补偿，保证二者的幅值相等，其表达式为：
式7
单片机对4路正余弦信号进行软件补偿后，采用CORDIC算法分别对经过补偿的4路正余弦信号进行反正切运算，得到小齿轮1的转角φ1和小齿轮2的转角φ2，利用式4和式5计算出大齿轮转角，并通过CAN总线向外部控制器发送转角信号。

单片机通过while循环不断执行采集、处理、发送的过程，更新转角信号，实现方向盘转角的实时测量。

5 结论
本文采用专用的转向传感器测试平台对转角传感器的性能进行测试，利用测试平台高精度的标准转角传感器标定自行设计的转角传感器。

图5为转角传感器测试的误差结果，在全量程范围内，转角的测量误差在10°左右，能够基本满足EPS回正性能的要求。

图5 转角传感器转角测量误差
本文设计的转角传感器采用了成熟的游标法测量方向盘绝对转角的方案，综合国内外转角测量方案的特点，设计了基于磁阻式角度传感器KMZ60和单片机MC9S08DZ60为核心的硬件电路，结合KMZ60信号处理的算法和游标法测量转角的机理，完成了转角传感器的软硬件设计；并通过专用的转向传感器测量平台，对设计的传感器进行了标定，测量得到转角传感器的静态误差。

本文设计的转角传感器硬件结构简单，具有很强的成本优势，同时，传感器的精度适中，能够基本满足EPS及其他电控系统的测量需求。

参考文献
[1]Tokumoto Y，Shiba M，Maeda N，et al.Development of Next-Generation Steering Sensor for Electric Power Steering[J].KOYO Engineering Journal English Edition，2004，165: 20-24.
[2]王俊，杨胜兵，过学迅.汽车方向盘转角传感器系统设计及算法研究[J].湖北汽车工业学院学报，2011，25(1): 19-21.
[3]李浩，徐衍亮. 电动汽车方向盘绝对角位置传感器的研究[J].传感器与微系统，2011，30(3): 32-34.
[4]Treutler C P O.Magnetic sensors for automotive applications[J].Sensors and Actuators A: Physical，2001，91(1): 2-6.
[5]张英福.汽车电动助力转向(EPS)中传感器的研究[D].重庆大学，2010.。