（機械電子工程專業(yè)論文）磁阻式車用轉(zhuǎn)向傳感器的研究.pdf

武漢理工大學碩士學位論文 捅要 轉(zhuǎn)向扭矩 角度及方向是汽車行駛中的重要參數(shù) 特別是對于裝備有電動助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車而言 扭矩傳感器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)鍵的部件之一 而 將轉(zhuǎn)向扭矩 角度及方向三者的測量集成到單一的傳感器上進行是汽車發(fā)展必然 的選擇 同時非接觸式扭矩傳感器也必將代替接觸式扭矩傳感器 扭矩傳感器成 本的降低及測量更加易于實現(xiàn)也將成為電動助力轉(zhuǎn)向快速發(fā)展的一個重要因素 因此為電動助力轉(zhuǎn)向提出一種符合條件的結(jié)構(gòu)并做出研究是非常必要的 本文系統(tǒng)地探討和建立了一種基于磁阻效應(yīng)的 集成轉(zhuǎn)向扭矩 角度及方向 測量的轉(zhuǎn)向傳感器 為這磁阻式傳感器的設(shè)計提供一定的理論依據(jù) 首先介紹半 導體元件的磁阻效應(yīng)及其基本原理 作為整個系統(tǒng)機械量到電量轉(zhuǎn)化的橋梁 然 后根據(jù)目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀以及各大汽車制造商對未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā) 展預(yù)測 分析了市場上各種車用轉(zhuǎn)向扭矩傳感器的優(yōu)缺點和扭矩的測量方式 以 扭軸法作為本課題測量方法 構(gòu)造出集成轉(zhuǎn)向扭矩 角度及方向測量的磁阻式扭 矩傳感器的機械結(jié)構(gòu)一將全部轉(zhuǎn)向載荷加載在扭桿上 并對扭桿的設(shè)計與選用做 出了詳細的分析 提出機械量到電量的之間的測量方法 給出信號處理電路的基 本原理圖 最后根據(jù)輸出信號之間的關(guān)系 分析出電控單元需要的主要參數(shù)相對 扭轉(zhuǎn)角 絕對扭轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向的算法 關(guān)鍵字 電動助力轉(zhuǎn)向扭矩傳感器轉(zhuǎn)向傳感器磁阻效應(yīng) 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t t h es t e e r i n gt o r q u e s t e e r i n ga n g l ea n ds t e e r i n gd i r e c t i o na r et h ev i t a lp a r a m e t e r s f o rt h ev e h i c l ee s p e c i a l l yt h ev e h i c l e se q u i p p e aw i t he p s e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g t h et o r q u es a l s o ri st h ek e yc o m p o n e n tf o rt h ee p s ni st h ei n e v i t a b l el r e n do f i n t e g r a t i n gt h et o r q u e a n g l ea n dd i r e c t i o ni ns o l o s e n s o ri n t h ed e v e l o p m e n to f v e h i c l et e c h n o l o g ya n dt h ec o n t a c tt o r q u es e n s o rw i l lb er e p l a c e db yt h en o n e o n t a c t o n ec o n s e q u e n t i a l l y t h e r ef i l eo t h e rs i g n i f yf a c t o r sl i k ec o s t l o w e r i n ga n d m e a s u l e s i m p l i f y i n gt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f t h ee p s t h e r e f o r e i ti sv e r y i m p o r t a n tt oc o n s t l u c ta n dr e s e a r c ha l la p p r o p r i a t es t r u c t u r ef o rt h ee p s t h eb a s e do nm r m a g n e t i cr e s i s t a n c e i sd i s c u s s e ds y s t e m i c a l l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n t h et h e o r e t i c a lb a s i si sp r o v i d e df o rt h ed e s i g n i n go ft h em rs e n s o ri n t h i sd i s s e r t a t i o nt o o i nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t i n t r o d u c et h em a g n e t i c1 s i s t a n e ee f f e c t a n di t sp r i n c i p l eo f t l a es c m i c o r d u e t o r a n di ti st h eb r i d g eo f t r a n s f e r r i n gm e c h a n i c a l p a r a m e t e rt oe l e c t r i c a lp a r a m e t e r t h e n t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n dt h e i l l c a s u r e l i l e n to f t h et o r q u es e n s o r sf o rt h es t e e r i n gs y s t e mi nt h em a r k e ta r ea n a l y z e d c h o s et h em e a s u r ef o rt h ed i s s e r t a t i o n c o n s t r u c tt h es t r u c t u r eo f t h em rs e n s o rw h i c h i n t e g r a t i n gt h em c a s l l r e m e n t so fs t e e r i n gt o r q u e s t e e r i n ga n g l ea n ds t e e r i n gd i r e c t i o n a n da c t i n ga l lo ft h el o a do n et h et o r s i o nb a r t h es e l e c t e dt o r s i o nb a ri sa n a l y z e di n d e t a i l a tl a s tc o n f l r mt h ep a r a m e t e ro f i t t h ec o n v e r s i o nf i o mt h em e c h a n i c a lv a l u et o t h ee l e c t r i cv a l u ei sp r o p o s e da n di nt h ee n d a n dt h ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h ea c t u a l i t yo ft h ev e h i c l es t e e r i n gs y s t e ma n dt h ef o r e c a s to ft h ei n t e n d i n g s t e e r i n gs y s t e m k e yw o r d s e p s t o r q u es e n s o r s t e e r i n gs e n s o r m a g n e t i cr e s i s t a n c ee f f e c t 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 課題來源及研究意義 1 1 1 電動轉(zhuǎn)向器簡介 2 0 世紀上半葉 在沒有任何電子和傳感器的情況下 汽車同樣能夠很好地 工作 2 0 世紀7 0 年代 電子元件被引入 改變了汽車零件設(shè)計 電子元件的引 入主要是為了減少燃料消耗和廢氣排放 增加舒適和動力 1 l 2 1 汽車在行駛過程中 駕駛員需要通過一套機構(gòu)隨時改變或恢復汽車行駛方 向 這套機構(gòu)即為汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照能源的不同分為機械轉(zhuǎn) 向系和動力轉(zhuǎn)向系 為了實現(xiàn)在各種行駛條件下轉(zhuǎn)向所需要的力都是最佳值 在 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上采用了助力控制系統(tǒng) 汽車動力轉(zhuǎn)向系是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增 設(shè)了一套轉(zhuǎn)向助力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 它兼用駕駛員的體力和助力裝置的動 力作為能源 一般來說 汽車及工程機械在停車及車速較低時 操縱轉(zhuǎn)向盤感覺很沉重 中速時較輕快 高速時卻又出現(xiàn) 轉(zhuǎn)向發(fā)飄現(xiàn)象 容易使駕駛?cè)藛T喪失路感 使方向失控 為了避免上述情況的發(fā)生 動力轉(zhuǎn)向裝置在汽車低速時提供較大的 轉(zhuǎn)向助力 使操縱力減小 而在高速時 轉(zhuǎn)向助力較小 使操縱力增大 避免轉(zhuǎn) 向盤 發(fā)飄 及駕駛?cè)藛T喪失路感 以提高行駛的安全性 采用助力轉(zhuǎn)向的目的 是使汽車在任何工況下 都有較為理想的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性 在正常的情 況下 汽車轉(zhuǎn)向操縱所需要的力大部分由助力裝車提供 只有小部分由駕駛員提 供 但在助力轉(zhuǎn)向失效時 駕駛員仍能通過機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向操縱 按照轉(zhuǎn)向動力源來分 目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為純?nèi)肆D(zhuǎn)向和動力輔助轉(zhuǎn)向 后者又經(jīng)歷了機械機構(gòu)助力轉(zhuǎn)向 液壓助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向三個階段 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 以下簡稱為e p s 是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 根據(jù)作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號和汽車的行駛車速信號通過電子 控制裝置使電機產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力 協(xié)助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作并獲得 最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng) 圖1 1 是目前幾種已經(jīng)市場化的電動轉(zhuǎn)向器的外形結(jié)構(gòu) 武漢理工大學碩士學位論文 t 轉(zhuǎn)向柱肪力形式b 小齒輪助力形式 c 齒每肪力形式 圖1 1 幾種電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)外觀圖 e p s 的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成 機械轉(zhuǎn)向裝置 方向盤 轉(zhuǎn)向柱等 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)向助力機構(gòu) 助力電機 離合器 減速傳動機構(gòu) 及電子控制單元 e l e c t r i cc o n t r o lu n i t 簡稱e c o 圖l 2 是典型的轉(zhuǎn)向柱式電動轉(zhuǎn)向器 c o l u m n e p s 的結(jié)構(gòu)示意圖 助力電機僅在需要轉(zhuǎn)向助力的情況下工作 當駕駛 員操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時 轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信 號 e c u 根據(jù)傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩電壓信號和車速信號 給出指令控制輸入電 機的電流 從面產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩 圖l 2 轉(zhuǎn)向柱式電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)示意圖 目前 電動助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓動力轉(zhuǎn)向 h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g h p s 正成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的熱點 e p s 是這種直接依靠電力提供輔助轉(zhuǎn)矩 的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 是為了滿足人們對駕駛輕便性的要求而產(chǎn)生的 它可以根據(jù)不 同的使用工況控制電動機提供不同的輔助動力 這也符合當前電控技術(shù)與汽車技 術(shù)相結(jié)合的趨勢 1 3 2 武漢理工大學碩士學位論文 e p s 沒有電液或液力動力轉(zhuǎn)向器的體積大 部件多 管路漏油等造成的耗能 污染環(huán)境等缺點 e p s 系統(tǒng)尤其適合使用在對空間 重量要求高的使用小排量發(fā) 動機的微型車上 因此自從1 9 8 8 年2 月 日本鈴木公司的c e r v o 轎車裝備了e p s 系統(tǒng)后 其他一些微型汽車 如 大發(fā)公司的m 岫汽車 鈴木公司的a l t o 汽車 和三菱公司的m i n i e a 汽車 也開始裝備e p s 從第一個e p s 樣品誕生至今十幾 年的時間里 快速完成了從實驗室走向商品化的過程 特別是近凡年 隨著汽車 數(shù)量的大幅增加 及人們對于環(huán)保問題的日益重視以及汽車電子的迅猛發(fā)展 電 動助力轉(zhuǎn)向這個集環(huán)保 節(jié)能 安全 舒適為一體的高科技產(chǎn)品正越來越受到汽 車廠商的重視1 2 圖l 一3 是對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全球市場需求的預(yù)測 根據(jù)預(yù)測 e p s 將 是今后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主流和技術(shù)創(chuàng)新的重要目標 益 q 太 群 圖卜3 全球市場轉(zhuǎn)向系統(tǒng)預(yù)測 目前 國內(nèi)開發(fā)并裝備的e p s 產(chǎn)品較少 且少量裝車的e p s 均為國外產(chǎn)品 根據(jù)a b ir e s e a r c h 的預(yù)測 到2 0 1 0 年 全球市場對e p s 的需求將從2 0 0 3 年的 2 0 多億美元上升至8 0 億美元以上 顯然這其中的相當一部分是由中國市場帶動 的1 2 j 4 1 就我國來說 汽車更是迅猛增加且能源較為短缺的現(xiàn)狀更需要e p s 產(chǎn)品 由此可見 研制和開發(fā)具有自有知識產(chǎn)權(quán)的e p s 產(chǎn)品 不僅可以提高中國汽車 零部件制造企業(yè)的科技水平 提升汽車制造業(yè)的整體競爭力 還具有廣闊的市場 前景和良好的經(jīng)濟效益 1 1 2e p 關(guān)鍵部件一一轉(zhuǎn)矩傳感器的重要作用 2 1 世紀是人類全面進入信息電子化的時代 現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)是信息采 集 信息傳輸與信息處理 它們就是傳感器技術(shù) 通訊技術(shù)和計算機技術(shù) 傳感 器處于信息采集系統(tǒng)的前端 是感知 獲取與檢測信息的窗口 它提供系統(tǒng)賴以 進行決策和處理所必需的原始數(shù)據(jù) 不難得出 傳感器是自動控制系統(tǒng)和信息系 統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件 其技術(shù)水平直接影響到自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平 自動 武漢理工大學碩士學位論文 化技術(shù)水平越高 對傳感器技術(shù)依賴程度越大 隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展 對傳 感系統(tǒng)的要求也越來越高 因此開發(fā)新的傳感系統(tǒng)以適應(yīng)控制系統(tǒng)提出的新要求 是現(xiàn)在傳感領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢 傳感器的工作原理是利用各種物理現(xiàn)象 化學反 應(yīng)和生物效應(yīng) 所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是發(fā)展傳感器技術(shù)的重要工作 是研制 新型傳感器的重要基礎(chǔ) 對于研制新的傳感系統(tǒng)具有革命性的意義 對e p s 而言其主要傳感器有接觸式電阻轉(zhuǎn)向傳感器 非接觸式光電轉(zhuǎn)矩傳 感器以及新型磁阻式轉(zhuǎn)向傳感器傳感器 目前e p s 傳感器的發(fā)展方向向著集成 化 小型化 擴展溫度范圍 大型車 重型車用的方向發(fā)展 同時 基于傳感技 術(shù)的車輛電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷技術(shù)也得到了快速的發(fā)展 e p s 傳感器主要包括轉(zhuǎn)矩傳感器 車速傳感器等 早期的e p s 轉(zhuǎn)矩傳感器 應(yīng)用較多的為接觸式傳感器 例妞電阻式轉(zhuǎn)向傳感器 這種傳感器體積大 價格 低 但是由于接觸式結(jié)構(gòu)使得工作時產(chǎn)生摩擦 容易磨損 非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器 使用了磁 光和感應(yīng)技術(shù) 通過感應(yīng)部件的轉(zhuǎn)換 將駕駛員的轉(zhuǎn)向操作變?yōu)閑 c u 可以接受的電信號 隨著公眾對車輛駕駛安全性和舒適性要求的進一步提升 對車輛穩(wěn)定性的控 制也提出了更高的要求 單一的傳感器將不能滿足性能提高的需求 但是采用多 種傳感器會造成系統(tǒng)成本的提升和可靠性的隱患 因此 采用多功能集成傳感器 是今后發(fā)展的方向 如日本k o y o 公司最新開發(fā)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)角集成傳感器可實現(xiàn) 對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號的同時檢測 這種新型的傳感器也代表了e p s 傳感器今后的 發(fā)展方向 傳感器的小型化既可減少占用的空間 還能降低能耗 使其更符合環(huán) 保的要求p j1 5 1 p 型和r 型e p s 傳感器因為需要安裝在發(fā)動機附近需要考慮與發(fā)動機的安 裝配合以及散熱等闖題 目前使用的轉(zhuǎn)矩傳感器印刷電路l c 使用時的溫度范圍 較窄 約為 3 0 c 8 0 可通過設(shè)計小體積的抗熱封裝結(jié)構(gòu)來改進現(xiàn)行i c 的 溫度特性 使轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)角傳感器的使用溫度范圍可以達到一4 0 1 2 5 0 拓展了 應(yīng)用空間 轉(zhuǎn)矩傳感器在e p s 系統(tǒng)中起的關(guān)鍵作用是 探測駕駛員轉(zhuǎn)向操作時方向盤 的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向 以轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)的形式反映出司機的轉(zhuǎn)向操 作 并把數(shù)據(jù)以信號的形式傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?然后e c u 根據(jù)這個信號連 同車速等信號來產(chǎn)生相應(yīng)的助力 協(xié)助駕駛員轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)矩傳感器是測量駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上力矩的大小和方向的 有的轉(zhuǎn)矩傳 感器還能夠測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大小和方向 本文所要研究的就是一種能集成轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)角及方向的轉(zhuǎn)矩傳感器 電動轉(zhuǎn)向器中 轉(zhuǎn)矩傳感器是電動轉(zhuǎn)向器中最重要的部件之一 是電動轉(zhuǎn)向 4 武漢理工大學碩士學位論文 器的核心部件 集機電技術(shù)于一體 其性能的優(yōu)劣直接影響到電動轉(zhuǎn)向器的性能 一般來講 轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)比較復雜且成本較高 所以精確 可靠 低成本的轉(zhuǎn)矩 傳感器是決定e p s 系統(tǒng)能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素之一舊 1 2 轉(zhuǎn)矩傳感器國內(nèi)外現(xiàn)狀 e p s 傳感器的研究呈現(xiàn)兩個發(fā)展趨勢 一是從提供單一轉(zhuǎn)矩信號和提供復合 信號方向發(fā)展 二是從接觸式向非接觸式方向發(fā)展 1 2 1 電位計式扭矩傳感器 主要可以分為旋臂式 雙級行星齒輪式 扭桿式 其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單 可靠性能相對比較高 在早期應(yīng)用比較多 扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧 轉(zhuǎn)角 位移變換器 電位計組成 1 2 1 扭 桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩 并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角 值 轉(zhuǎn)角一位移變換器是一對螺旋機構(gòu) 將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動 套的軸向位移 由剛球 螺旋槽和滑塊組成 滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向 上移動 同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上 可以相對于輸出軸在垂直方向上 移動 因此 當輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動時 滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對 于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量 垂直移動 當轉(zhuǎn)動方向盤的時候 扭矩被傳遞到扭力桿 輸 入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差 該偏差是滑塊出現(xiàn)移動 這些軸方向的移動轉(zhuǎn) 化為電位計的杠桿旋轉(zhuǎn)角度 滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之 變化 電阻的變化通過電位計轉(zhuǎn)化為電壓 這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號 1 2 2 金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器 傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù) 在彈性軸上粘貼應(yīng)交計組成測量電橋 當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化 應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)交 為電信號的變化從而實現(xiàn)扭矩測型川 傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換 廣 塒 r m 叫卜 v f h z l o 6 rj 傳感器由彈性軸 測量電橋 儀器用放大器 接口電路組成 彈性軸是敏感 元件 在4 5 度和1 3 5 度的方向上產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力 這個時候承受的主 應(yīng)力和剪應(yīng)力相等 其計算公式為 0 t m w 1 1 式中 5 武漢理工大學碩士學位論文 t 一主應(yīng)力 此時與0 相等 w 廣軸截面極矩 測量電橋可以采用半導體電阻應(yīng)變片 并將它們接成差動全橋 其輸出電壓 正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的扭矩 應(yīng)變片的電阻r i r 2 r 3 r 4 r o 可以得到下面的 式子 v 聲 a r r o x u s u e w d m 1 2 式中 e 一軸材料的彈性模量 u 一電橋的供電電壓 s 一電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) 放大電路采用儀器用放大電路 它由專用儀器用放大電路構(gòu)成 也有三只單 運放電路組合而成 放大倍數(shù)為k 放大后的電壓v 為 s k u e x w p 為了使一起具有高精度 必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù) 在金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器中 需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是 1 彈性軸的工作區(qū)域不應(yīng)該大于彈性區(qū)域的1 3 且取初始段 為了將遲滯誤 差減低到最底 按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑 2 采用u j 型硅擴散力敏全橋應(yīng)變片 較好的敏感性 很小的非線形度 3 采用高精度的穩(wěn)壓電源 1 2 3 相位差扭矩傳感器 相位差式扭矩傳感器是利用具有機械彈性的被測扭軸在扭矩作用下產(chǎn)生的 彈性變形來測量扭矩川 根據(jù)信號變換器的類型不同 相位差扭矩傳感器有兩類 磁感應(yīng)式相位差扭矩傳感器和光電式相位差扭矩傳感器 磁電式扭矩傳感器是利 用導體和磁場發(fā)生相對運動而在導體兩端輸出感應(yīng)電動勢的機一電能量變換型 傳感器 扭矩傳感器主要由扭軸 磁檢測器 轉(zhuǎn)筒及殼體等四部分組成 見圖 待 定 磁檢測器包括配對的兩組內(nèi) 外齒輪 永久磁鋼和感應(yīng)線圈 外齒輪安裝在 扭軸測量段的兩端 內(nèi)齒輪裝在套筒內(nèi) 與外齒輪相對 永久磁鋼緊接內(nèi)齒輪安 裝在轉(zhuǎn)筒內(nèi) 如圖1 5 所示為磁感應(yīng)式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu) 1 3 l 輸入軸和輸出軸由 扭稈連接起來 輸入軸上有花鍵 輸出軸上有鍵槽 當扭稈受方向盤的轉(zhuǎn)動力矩 作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時 輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了 花鍵和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量 使得花鍵上的磁感強度改 變 磁感強度的變化 通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號 信號的高頻部分由檢測電路濾 波 僅有扭矩信號部分被放大 6 武漢理工大學碩士學位論文 圖卜5 磁感應(yīng)式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖 非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式 因而壽命長 可靠性高 不易受到磨損 有更小的延時 受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小 1 2 4 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如1 6 圖所示 1 8 1 在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個光柵圓盤 兩個光柵 盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件 無轉(zhuǎn)矩作用時 兩光柵的明暗條紋相互錯開 完全 遮擋住光路 因此放置于光柵一側(cè)的光敏元件接收不到來自光柵盤另一側(cè)的光源 的光信號 無電信號輸出 當有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時 由于軸的扭轉(zhuǎn)變形 安裝 光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角 兩片光柵的暗條紋逐漸重合 部分光線透過兩光 柵而照射到光敏元件上 從而輸出電信號 轉(zhuǎn)矩越大 扭轉(zhuǎn)角越大 照射到光敏 元件上的光越多 因而輸出電信號也越大 圖1 6 光電式扭矩傳感器結(jié)構(gòu) 7 武漢理工大學碩士學位論文 但是它對工作環(huán)境的要求比較高 且價格比較高 故市場化進程較緩慢 1 3 本文研究領(lǐng)域 目的及研究內(nèi)容 1 3 1 研究目標 研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中 使用集轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)角傳感器一體的m r 傳感器 從中得到從方向盤出發(fā)到e c u 最終處理所需要的數(shù)據(jù) 即汽車轉(zhuǎn)向過程中的電 子助力系統(tǒng) e p s 所需要的轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)動量和轉(zhuǎn)向角度 l 以北斗星c e p s 為研究對象 確定轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角測量過程中所需參數(shù) 2 設(shè)計鐵磁質(zhì)信號圓盤的幾何參數(shù) 3 扭桿彈簧幾何參數(shù) 4 測量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角算法 1 3 2 研究內(nèi)容 l m r 型轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角集成測量傳感器一體化的技術(shù)實現(xiàn) 2 鐵磁介質(zhì)材料和形狀選擇與設(shè)計 3 m r 傳感器后繼處理電路方案 4 轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向角的辨識算法 1 3 3 研究目的 l 一體化集成傳感器的結(jié)構(gòu)的實現(xiàn) 2 扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)確定 3 轉(zhuǎn)向傳感器信號的檢測與辨識 s 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章磁阻效應(yīng)理論與扭矩轉(zhuǎn)角測量方法 2 1 霍爾效應(yīng)與磁阻效應(yīng)理論 磁阻元件是一種磁敏元件 是一種磁電轉(zhuǎn)換元件 它是由磁阻效應(yīng)的原理制 成的 所以需要討論電磁轉(zhuǎn)換過程中的相關(guān)效應(yīng) 2 1 1 半導體中的電磁效應(yīng) 帶電粒子在磁場中運動時 受到洛倫茲力的作用 對于n 型半導體 當不 加磁場時 電子電流密度為j n o 假設(shè)溫度梯度為零 可以求得玻爾茲曼輸運 方程的近似表達式為 jn o e q d 釃 2 1 式中 一b o 時的電導 e 電場強度5 g 一電子電荷 見一電子擴散系數(shù) 萬一電子濃度 鰳一電子漂移遷移率 當磁場不為零時 電子電流密度為 以 b 3 以 o 一以 以 b 功 2 2 式中 u 一一電子遷移率 以 以以 以一散射因子 以 2 o 一兩次碰撞之問的自由時間 其值與能帶結(jié)構(gòu)和散射機理有關(guān) 磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象 同 霍爾效應(yīng)一樣 磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的 所以 在半導體內(nèi)霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)是同時存在的 2 1 2 霍爾效應(yīng) 將通以電流的半導材料放在均勻磁場中 則在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生 橫向電場 在笛卡爾坐標系下 沿x 方向通以電流豇 安培 沿z 方向施加磁 場b z 在y 方向上將出現(xiàn)橫向電場e y 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 所產(chǎn)生的電場 9 武漢理工大學碩士學位論文 稱為霍爾電場 圖2 1 為霍爾效應(yīng)示意圖 x 圖2 1 霍爾效應(yīng)示意圖 實驗表明 在弱電場范圍內(nèi) 橫向電場e y 正比于電流密度j x 和磁感應(yīng)密度 b x 假設(shè)電流密度只有x 方向的分量 即j n y 一 0 霍爾電場則為 e u b e r 日厶b 2 3 式中 r h 一霍爾系數(shù) r h 一生 一叢 一 o g 刀 霍爾電場使等電勢線旋轉(zhuǎn)一個角度島 此角度稱為霍爾角 且 f t a n 蘭生 訛 b 仃 r h b 2 4 b j 2 1 3 磁阻效應(yīng) 在達到穩(wěn)態(tài)時 某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等 載流子 在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場 比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn) 比該速度 快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn) 這種偏轉(zhuǎn)導致載流子的漂移路徑增加 或者 說 沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少 從而使電阻增加 這種現(xiàn)象稱為磁阻 效應(yīng) 若外加磁場與外加電場垂直 稱為橫向磁阻效應(yīng) 若外加磁場與外加電場 平行 稱為縱向磁阻效應(yīng) 一般情況下 載流子的有效質(zhì)量的馳豫時時間與方向 無關(guān) 則縱向磁感強度不引起載流子偏移 因而無縱向磁阻效應(yīng) 假設(shè)霍爾電場為零 n 型半導體為短而粗的樣品 電極由兩端面引出 得到 載流子的偏轉(zhuǎn)為 a b t a n 1 0 2 5 武漢理工大學碩士學位論文 式中 以 一電子遷移率 口一磁感強度 一霍爾角 由于偏轉(zhuǎn)使載流子的漂移軌跡增長 產(chǎn)生的磁阻效應(yīng) 可以用下式表示 盟 功z 見 式中 2 6 成一不加磁場時的電阻率 砌一加磁場時的電阻率 由上式可見 越大 電阻隨磁場變化越靈敏 所以常選用載流子遷移率大的 材料作為磁敏電阻材料 銻化銦單晶是較好的磁敏電阻材料 因為它的電子遷移 率高 達7 8 0 0 0 c m 2 v s 是硅 1 9 0 0c m 2 v s 的4 0 倍強 物理磁阻效應(yīng)有三種狀態(tài) 在弱磁場時 一川7 見與b 2 成正比 在強磁場時 一糾 見與b 成正比 在磁場無限大時 電阻率p 趨于飽和 常用的m r 材料有n i f e n i c o n i f e c o 合金 它們的a r r a 飽和值通常 為3 5 實際使用中還希望 r r a 隨磁場的變化率增大 m r 元件是將m r 材料蒸發(fā)在玻璃基片上 刻蝕形成帶狀薄膜 長為j 寬為 w 厚為 再加上接頭 引線 保護膜 封裝而成 1 7 1 m r 膜是磁場檢測部分 m r 效應(yīng)的大小用 r r 0 表示 r 是由磁場引起的電阻變化 r a 是電阻的平 均值 在 r 較小時 可近似看作是磁場為零時的電阻 即r a 一 r 0 圖2 2 為磁敏電阻變化與外加磁場的關(guān)系 武漢理工大學碩士學位論文 島 f v 艮 一1 1 l 圖2 2 電阻變化與外加磁場的關(guān)系 2 1 4 磁導率 磁導率l i 表征磁介質(zhì)磁性的物理量 也就是用來衡量物質(zhì)導磁能力的物理 量 它等于磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強度b 與磁場強度h 之比 即 b 2 膽 2 7 因此在圖2 3 中半徑為x 處各點的磁感應(yīng)強度可以得出即 e 2 烈 聲等 c 2 圖2 3 磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 由式可見磁場內(nèi)某點的磁場強度h 只與電流大小 線圈匝數(shù) 以及該點的 幾何位置有關(guān) 而與磁場媒質(zhì)的磁性無關(guān) 就是說在一定電流值下 同一點的磁 場強度不因磁場媒質(zhì)的不同而有異 但感應(yīng)強度是與磁場媒質(zhì)的磁性有關(guān)的 當 線圈內(nèi)的媒質(zhì)不同時 則磁導率不同 在同樣電流值下 同一點的磁感應(yīng)強度大 小就不同 線圈內(nèi)的磁通也就不同了 通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導率1 1 其定義為磁導率p 與真空磁導率l i0 之比 空氣相對磁導率約為l 鑄鐵為2 0 0 4 0 0 硅鋼片為7 0 0 0 1 0 0 0 0 鎳鋅 鐵氧體為1 0 1 0 0 0 鎳鐵合金為2 0 0 0 錳鋅鐵氧體為3 0 0 5 0 0 0 坡莫合金為 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 本課題所選擇的材料為4 5 號鋼 其相對磁導率為4 0 0 左右 2 2 扭矩轉(zhuǎn)角測量方法 轉(zhuǎn)矩的測量 按其基本原理分為三類 傳遞法 扭軸法 平衡力法 反力法 和能量轉(zhuǎn)換法 2 2 1 傳遞法 扭軸法 測量扭矩的方法基本上采用扭軸法 它的基本原理是根據(jù)彈性元件在傳遞轉(zhuǎn) 矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化而測量扭矩 這里所根據(jù)的物理參數(shù)可以是彈性元 件變形 應(yīng)力或應(yīng)變 最常用的彈性元件是扭軸 采用扭軸測量轉(zhuǎn)矩剛又可分為 應(yīng)變式測扭矩與扭角測扭矩 本文在測量 方向盤扭矩時采用扭角式 1 應(yīng)變式測扭矩 由材料力學可知 在扭矩m 的作用下 軸體表面上沿與軸線成4 5 和1 3 5 傾 角方向上的主應(yīng)力吼 c r 2 其數(shù)值與軸體表面上最大扭應(yīng)力相等 見圖2 4 即 f 仉 一0 2 2 9 圖2 4 應(yīng)變式測扭矩 武漢理工大學碩士學位論文 設(shè)與盯1 0 2 對應(yīng)的主應(yīng)變分別為印乞 則 且有 毛 一乞 2 1 0 q 詈 等 學印半弘暑 2 1 1 鏟i o 2 等 半吒 半一暑 2 1 2 式中 e 軸體材料的彈性模量 軸體材料的泊松比 盯 應(yīng)力 當軸體的扭轉(zhuǎn)截面為系數(shù)為w 則有 毛 島 士 等 疋m 2 1 3 0 1 0 2 萬m e 肘 2 一1 4 式中e k o 為比率常數(shù) 疋 茜 2 1 5 髟2寺 2 16 t 掃 e n 式子可知 毛 或占 吼 或盯 都與被測扭矩成正比 通過測量軸體 表面的扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變或應(yīng)力即可確定扭矩m 工程實際中常用應(yīng)變片將軸的主應(yīng) 變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?通過電信號的定標來測定扭矩值 2 轉(zhuǎn)角測扭矩 當軸受扭矩時 沿軸向相距為 的任意兩截面之間 將產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角伊 如圖2 5 所示 其值為 口 旦 2 1 7 1 i 口 一 l z 一 g j v 式中 g 一剪切彈性模量5 武漢理工大學碩士學位論文 厶一軸體截面的極慣性矩 當軸體為實心圓截面時 厶 譬刪 4 當軸體為環(huán)形截面 外徑d 內(nèi)徑d 時 p a d i 4 d 一4 o i d 4 一d j p2 礦刈 叫 2 1 8 2 1 9 圖2 5 對軸加扭矩后軸的變形 本文以轉(zhuǎn)角法測量車輛轉(zhuǎn)向時 方向盤上的扭矩 2 2 2 平衡力法 對任何一種勻速工作的動力機械或制動機械 當它的主軸受轉(zhuǎn)矩t 作用時 在它的機體上必定同時存在4 5 方向相反的平衡力矩7 且有t t 測量機體 上的平衡力矩r 以確定機器主軸上的作用轉(zhuǎn)矩t 的大小的方法稱為平衡力法 亦稱為反力法 作用在機體上的平衡力矩r 通常是通過作用在力臂上的作用力f 而形成 的 設(shè)力臂長度為l 則作用在機體上的力矩r 為 t f l 顯然 測得力臂 上的作用力f 和力臂長度l 就可以確定力矩r 及轉(zhuǎn)矩t 的值 采用平衡力法測量轉(zhuǎn)矩 沒有從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩信號的傳輸問題 力 臂上作用的平衡力f 可以用測力機構(gòu)測得 只是用這種方法僅可測量勻速工作情 況下的轉(zhuǎn)矩 不能測量動態(tài)轉(zhuǎn)矩 2 2 3 能量轉(zhuǎn)換法 能量轉(zhuǎn)換法是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換守恒定律 用其他量參數(shù) 如電能參數(shù) 來測量機 械能參數(shù)及轉(zhuǎn)矩的一種間接測量方法 一般來說誤差較大 約 1 0 1 5 故也 武漢理工大學碩士學位論文 很少采用 只有在直接測量無法進行的時候才考慮此法 2 3 本章小結(jié) 本章主要介紹用于測量扭矩過程中 機械量到電磁量的轉(zhuǎn)化原理 即磁阻基 本原理 其次是選定測量扭矩所采用的方法 轉(zhuǎn)角測量法 1 6 武漢理工大學碩士學位論文 第3 章轉(zhuǎn)向傳感器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 本課題的主要目的是設(shè)計一種能將扭矩 轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向三個量合成到一個集成 的結(jié)構(gòu)上測量的傳感器 且此傳感器為非接觸式 在此以北斗星c e p s 為研究對象 來確定轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角測量過程中所需參 數(shù) 以下首先介紹電動轉(zhuǎn)向器的一個簡單的數(shù)學模型 有利于后面對扭桿彈簧設(shè) 計時的參數(shù)確定 且本傳感器結(jié)構(gòu)是基于電動轉(zhuǎn)向器基礎(chǔ)之上提出的 故有必要 對轉(zhuǎn)向器的數(shù)學模型進行簡要的分析 3 1 轉(zhuǎn)向器的數(shù)學模型 為此首先建立電動轉(zhuǎn)向器的數(shù)學模型 2 l l t e 圖3 1 電動轉(zhuǎn)向模型 圖3 1 為本課題研究的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型 扭矩傳感器安裝在方向盤和減 速機構(gòu)之間 可以看成是剛度為的a 的扭力桿 實時測量方向盤輸入扭矩 直 流電動機的輸出扭矩經(jīng)過蝸輪蝸桿放大后 與輸入扭矩一起作用于轉(zhuǎn)向軸上 從 而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和助力的過程 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的動力學方程如下 武漢理工大學碩士學位論文 扭桿動力學方程 c i 國 根 e 司 麓r 齒條動力學方程 c r k r r 一專 甕氏 r 扭桿彈性扭矩測量值 l s p j s 他墨 一習 傳感器輸入轉(zhuǎn)矩 巧 五 電機電樞電流 l k 4 l 電機輸入電壓與反向感應(yīng)電壓 r i l 圪 k 毛國 直流電動機輸出轉(zhuǎn)矩 l 以 i 電機提供的助力扭矩 l n t 式中 以 方向盤 包括轉(zhuǎn)向管柱和扭桿 的等效轉(zhuǎn)動慣量 氏一方向盤轉(zhuǎn)角 c j 一扭桿等效阻尼 z 0 一方向盤輸入扭矩 一齒條位移量 3 一1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 r r 一轉(zhuǎn)向齒輪半徑 e 一扭桿等效剛度 瓦一助力扭矩 m 一齒條等效質(zhì)量 武漢理工大學碩士學位論文 c 一齒條等效阻尼足 一齒條等效剛度 蝸輪蝸桿減速比 l 一電機輸出扭矩 z 一路面擾動 一電機輸入電壓 工 一電機感應(yīng)系數(shù) 厶一傳感器噪聲 心一電樞繞組電阻 圪一電機反向感應(yīng)電壓 k b 一電機反向感應(yīng)系數(shù) 一電機轉(zhuǎn)速 一電機電樞電流 j 0 一電機扭矩常數(shù) t 扭桿彈性扭矩測量值 k 一電機助力特性系數(shù) 正 扭矩傳感器輸入轉(zhuǎn)矩見 傳感器帶寬 對上述各式進行拉氏變換 可以得到 吒o i 萬苦再以 半 3 一l o 巾 赤每 每啪m 叫 l 眠蠔去蜊啪 一斧枷 3 1 2 地 等 3 1 3 同時 以t z 拓描述扭桿彈簧的動另學特性 以 4 碭 最描述齒條機構(gòu)的動力學特性 以g 占 z 等描述扭矩 傳感器動力學特性 e p s 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 如表3 一l 所示 1 9 武漢理工大學碩士學位論文 表3 1e p s 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 方向盤等效轉(zhuǎn)動慣量厶 蓋蓉 挪2 o 1 5 蝸輪蝸桿減速比 1 6 5 扭桿剛度e 砌 2 6 5 1 齒條等效剛度巧 n m 6 2 0 3 2 齒條等效質(zhì)量m 酶 2 4 扭桿半徑e 所 0 0 0 3 電機扭轉(zhuǎn)常數(shù)以 n m a o 0 2 轉(zhuǎn)向齒輪半徑彤 m 0 0 0 5 3 電機反向感應(yīng)系數(shù)毛 y s r a d 0 0 2 傳感器帶寬以 勉 4 5 扭桿等效阻尼系數(shù)e 齒條等效阻尼系數(shù)c 4 0o 3 兩 r a d 一 sn m t a d 一 3 2 扭矩傳感器機械結(jié)構(gòu)部分 為達到以上目的 以下提出了一種結(jié)構(gòu)方案 以非接觸的方式將機械量一一 扭矩 轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向通過這種結(jié)構(gòu)首先轉(zhuǎn)化成為電磁量 最終通過控制器 傳感器 處理電路得到各值大小及方向 以北斗星c e p s 為研究對象 在其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中 空間對于e p s 來說 是非 常珍貴的 所以要求所設(shè)計的扭矩傳感器能夠占用盡量小的空間 如圖3 3 為傳感器機械部分結(jié)構(gòu)外形圖 武漢理工大學碩士學位論文 圖3 3 傳感器機械部分結(jié)構(gòu)外形圖 如圖3 4 為傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖 2 i 武漢理工大學碩士學位論文 1 輸入軸2 扭桿3 信號盤14 信號盤2 5 信號盤3 6 輸出軸7 銷8 m r 傳感器組件 圖3 4 傳感器機械部分結(jié)構(gòu)剖視圖 其中輸入軸l 與扭桿彈簧2 為花鍵連接 輸出軸6 與扭桿彈簧之間也是花鍵 連接 不過為了使扭桿彈簧2 不產(chǎn)生軸向位移 用銷7 把扭桿彈簧2 固定在輸入 軸1 上 本結(jié)構(gòu)的主要目的是測量扭桿2 在輸入扭矩下的相對扭轉(zhuǎn)角度 信號盤 2 與信號盤3 通過鍵 圖中未標出 固定在輸出軸6 上 并且信號盤2 與信號盤 3 之間沒有相對轉(zhuǎn)動 信號盤l 通過鍵 圖中未標出 固定在支撐軸6 上 上圖所示的結(jié)構(gòu)與目前車用電位計式扭矩傳感器的外輪廓尺寸相當 主要尺 寸如圖3 5 所示 武漢理工大學碩士學位論文 圖3 5 傳感器機械結(jié)構(gòu)部分主要尺寸 在方向盤輸入扭矩t 的情況下 扭矩通過扭桿2 直接傳遞到輸出軸8 扭桿 2 承受整個扭矩t 在扭矩t 作用下產(chǎn)生的剪切力的作用下 扭桿2 輸入端截面 與輸出端截面將會產(chǎn)生一個角口 口角表征扭矩t 的大小 護 衛(wèi) q 3 1 4 式中 一產(chǎn)生變形的扭桿當量長度 g 一扭桿材料的剪切模量 武漢理工大學碩士學位論文 一扭桿橫截面的極慣性矩 i v5 百 3 3 幾個重點研究的問題 3 3 1 機械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析 從動力學觀點來看 該扭桿可以被視為彈性體的扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng) 2 5 1 即由轉(zhuǎn) 動慣量j 剛性因子k m 和阻尼器c 組成的等效系統(tǒng)模型 當彈性體端部加載按正弦函數(shù)變化的動態(tài)扭矩 m p 2 m o s i n d a t 3 1 5 式中 m o 為動態(tài)扭矩的幅值 m 為動態(tài)扭矩的角頻率 則有如下力矩平衡方程式為 學 c 警 k m q k t m o s i n c a t 邯 式中妒 為扭矩角 由式知動態(tài)力矩由慣性力矩 皇挈掣 阻尼力矩c 旦掣和彈性力矩心 妒 f a t a t 組成 上述方程的穩(wěn)態(tài)解為 妒 f 2 九s i n c o t 一驢 3 1 7 式中 振幅 九2 麗i 麗m o 航妒 t a n i 別 扭桿固有角頻率 o n 巧 阻尼比 善 1 2 0 k m j 由式可得外扭矩的幅值與其他各分力矩幅值的關(guān)系為 m o 如如一如2 丸 2 c 堿 2 3 一1 8 為了顯示外扣矩與彈性力矩 阻尼力矩和慣性力矩之間的關(guān)系 式可以寫 武漢理工大學碩士學位論文 彈性力矩幅值 k 盯丸 阻尼力矩幅值 c 國九 m o 慣性力矩幅值 砌2 九 o 以上3 式可分別用圖表示成各分力矩與頻率之間的關(guān)系 由圖3 6 可以看出 只有當國 噥時 朋o2 五 由此可見只有當外扭矩的頻率低于傳感器的固 有頻率時 測量才能準確 否則要進行精度補償 這就要求在設(shè)計傳感器時 不 但要進行結(jié)構(gòu)靜態(tài)設(shè)計 同時還要進行動態(tài)特性分析 主要包括幅值誤差設(shè)計和 相頻誤差設(shè)計 這里動態(tài)參數(shù)設(shè)計主要是相對扭矩傳感器的固有頻率 和阻尼 比手的設(shè)計 武漢理工大學碩士學位論文 c 慣住力矩幅值與頻翠的關(guān)系 圖3 6 各分力矩與頻率之間的關(guān)系 因為它不但能測量彈性力矩 而且還可以感受一部分慣性力矩 因此 幅值 的相對誤差為 鏟華 哥 奠一等 生一l 1 0 2 2 4 孝2 p 2 f z 2 2 4 毒2 國2 式中 0 甲 1 取決于傳感器對慣性力矩感知的靈敏度 靈敏度高取較大 值 反之則取較小值 通常取0 2 o1234 頻率比 啦 圖3 7 幅值誤差與固有頻率和阻尼比的關(guān)系圖 由于傳感器的阻尼比通常為善 0 0 5 所以可近似認為亭2 0 則式 3 1 9 5 4 3 2 1 o 堋螻趔衄4l茁罌 武漢理工大學碩士學位論文 整理后可得到固有頻率的設(shè)計公式為 功 國 3 2 0 對于該新型扭矩傳感器要求其頻率范圍為o 2 k l iz 允許的最大幅值誤差為 e 5 取甲 o 2 將上述所需參數(shù)代入式 1 3 從幅值誤差的角度可求得該扭矩 傳感器所須達到的理論固有頻率為 國 28 2 5 1 0 舷 相頻誤差設(shè)計 由式可畫出扭矩傳感器的相頻特性曲線 如圖3 8 所示 因為阻尼比非常小 通常為o 0 5 所以相位誤差均比較小 一般不作特殊要求 設(shè)計時只要滿足幅頻 特性一般都能滿足相頻特性的要求 k 趕 掣 頻率比 圖3 8 相位誤差與固有頻率和阻尼比的關(guān)系圖 3 3 2 齒輪 信號盤 參數(shù) 本課題中齒輪并不用于傳動 其利用齒輪的最基本的物理構(gòu)造 即齒與齒之 間存在間隙 故在設(shè)計過程中 可以不考慮諸如嚙合度 強度等傳動因素 齒輪 采用鐵質(zhì)材料 齒頂處存在的鐵磁質(zhì)對磁路有影響 齒根對磁路亦存在影響 但 兩者影響程度不同 空氣相對磁導率約為1 鑄鐵為2 0 0 4 0 0 硅鋼片為7 0 0 0 1 0 0 0 0 武漢理工大學碩士學位論文 齒參數(shù) 齒輪并不必須做成標準形 亦可以考慮矩形齒 但必須是直齒輪 受空間條件制約 其基本尺寸不宜過大 為符合國家標準 便于加工 本課題中 信號盤l 與信號盤3 完全相同 取模數(shù)取m l 3 1 5 分度圓直徑為d l 3 5 4 m m 齒數(shù)z 1 3 3 6 便于電路處理 為保證信號盤1 與3 之間在最大扭矩t 5 0 n m 作用下相位 差不超過l o 即信號盤1 與3 之問的齒之間在扭矩t 的作用下 不超過半個齒 形的錯位 扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度為 p 三一 辱d4g 痧 3 2 l 當取扭桿參數(shù)如下時 g 8 4 0 0 0 m p a d 1 2 r a m l 1 1 4 m m 則 r 蘭 q 蘭 旦 蘭墜 q 蘭 生 3 2 1 1 3 0 1 1 0 4x 1 8 0 1 0 2 0 9 n m o 設(shè)定實驗扭矩值為2 0 5 0 n m 則有 5 0 n m 1 0 2 0 9 n i n 廠 釅 故z 3 6 是可以滿足要求的 為便于后續(xù)計算絕對轉(zhuǎn)向角的大小 齒輪2 比齒輪1 3 少一個齒 即是也 3 5 m 2 1 5 4 3 武漢理工大學碩士學位論文 圖3 9 信號盤l 3 基本尺寸 厚度 保證齒輪厚度適中 與m r 傳感器組件相適應(yīng) 取b 5 m m 如圖3 1 0 所示 圖3 1 0m r 傳感器組件位置 芯片1 2 3 分別與信號盤l 2 3 對應(yīng)在一個水平面上 材料 空氣相對磁導率約為l 鑄鐵為2 0 0 4 0 0 硅鋼片為7 0 0 0 1 0 0 0 0 對于本課題而言 鑄鐵的相對磁導率已經(jīng)滿足要求 硅鋼片相對成本較高 且在 后續(xù)處理過程中 鐵磁體對磁阻電阻的影響只表現(xiàn)在幅值上 對相位的改變沒有 影響 所以此處可以選擇鑄鐵為信號盤材料 降低生產(chǎn)成本 圖3 1 l 信號盤2 基本尺寸 3 3 3 影響信號輸出的因素 武漢理工大學碩士學位論文 1 扭桿當量長度 扭桿的當量長度l 越長 對整個系統(tǒng)而言 靈敏度越高 但是對于本課題而 言 扭桿不宜過長 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)空間不允許 且對于加工制造來說 會提高制造 成本 故扭桿的基本尺寸如圖3 1 2 所示 o o 葉 一 一 一 i i n l m 奠 餅 曠 一 7 5 l l1 1 1 1 4 圖3 1 2 扭桿基本尺寸 下一章將單獨對扭桿的基本模型進行設(shè)計與計算 以得出是否符合實際實驗 的結(jié)果 2 齒數(shù) 設(shè)信號盤l 3 有z 個齒 則在磁阻電阻靈敏度范圍內(nèi) z 越大 整個系統(tǒng)靈 敏度越高 但在最大加載力矩t 2 0 n m 下 為便于電路處理 就應(yīng)使得信號盤 1 3 之間相位差不超1 個周期 即2 丌 z 故齒數(shù)的選定應(yīng) z 絲 r 式中 r 一扭桿彈簧剛度理論值 3 m r 傳感器組件與信號盤相對位置 傳感器作為一個整體 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也應(yīng)設(shè)計封裝成一體 不僅避免在汽車 惡劣的工作環(huán)境下能正常工作 而且能保證m r 傳感器組件與信號盤的相對位置 不因為汽車運行過程中的振動而產(chǎn)生擾動 且m r 傳感器組件與信號盤之間作為 從機械量轉(zhuǎn)化成電量過程的橋梁 輸出的周期電量信號值的相位值在測量過程中 起主要作用 故周期電量信號值的幅值對最終測量效果沒有過多的影響 其影響 可在后處理電路中解決 武漢理工大學碩士學位論文 3 4 本章小節(jié) 基于汽車e p s 的數(shù)學模型 闡述了m r 傳感器機械結(jié)構(gòu)部分的動態(tài)特性 并給出具體