电子控制助力转向系统(ECPS)中的传感器设计
2016-10-20 18:01:59
对汽车转向系统进行计算机助力控制，是实现汽车智能化的重要内容之一。其基本性能是：汽车低速行2.1ECPS系统工作原理统，并有小批量产品在部分日本和欧洲车型应甩国内尚没有深入开展此项技术研究本文结合作者的项目研制，讨论ECPS系统中部分传感器的设计应用问驶时，能够提供方向盘转向助力，使转向操作轻便省力；在高速行驶时，能反馈给方向盘适当的转向反力，使驾驶者获得满意的“路感”引入计算机控制实质是使汽车具有一定的转向决策能力，能够根据车速、转矩信号自动调节助力大小；并根据自诊断系统的检测结果信号，决定在电控动力转向和常规转向之间自动进行转换。计算机控制转向系统的发展可以分为电控液压助力转向（HYPS）电液混合助力转向（EHYPS）、和电子控制助力转向（ECPS）等几个阶段。它们都设置有车速传感器等检测元件，构成速度响应型或行驶模式响应型转向控制系统目前国外的高中档轿车全部装有HYPS或EHYPS系统，而ECPS系统是国外大的汽车零部件厂商竞相研制开发的新一代转向控制系ECPS系统主要由ECPS控制装置ECU直流电动机和方向机总成等组成，如所示ECU（以通用或汽车专用微处理器芯片为主构成）接收处理各传感器输入信号，控制直流电动机驱动电流大小，电动机输出经离合器齿轮减速机构减速矩后，直接驱动转向机构，使转向车轮发生相应偏转。ECPS系统一般应有“安全失效”设计，即在诊断到发生某种异常时，为确保行车安全，ECU便自动切断动力转向系统，变为常规转向系统2.2ECPS系统主要特点ECPS系统中，ECU通过控制直流电动机驱动电流直接调节转向助力，转向助力的大小可以在很大范围内进行设置。此外，ECPS系统只是在汽车转向时才向电动机供电，在不进行转向时几乎没有动力消耗采用ECPS系统的汽车具有良好的燃油经济性，符合“绿色汽车，的概念。同时，ECPS系统引入计算机控传感器，要考虑防i尘措施和使用温度限制。ctronicPublishingHouse.Allrights电子控制助力转向系统ECPS的结构示意图制，提高了汽车的智能水平，而且可直接移植于将来的电动汽车”环保+智能“代表了未来汽车发展的方向。
ECPS系统中传感器的设计汽车振动、温差灰尘的特定行驶环境和人身安全的考虑要求汽车用传感器必须可靠而灵敏在ECPS系统中，电控单元需要从多种传感器获得与控制有关的信号这些传感器用以确定转向助力和进行故障自诊断其中，方向盘转矩传感器和转速传感器是ECPS系统中的核心传感器根据项目要求，试制两套方案3.1方向盘转矩传感器的设计方案一：米用扭杆和差分变压器组成方向盘转矩传感器，如所示。扭杆为一可发生一定扭转变形的细长轴，其一端联接方向盘转向轴，另一端联接齿轮转向器中齿轮汽车转向时，在方向盘施加力矩和转向小齿轮反馈的来自路面转向阻力矩作用下，扭杆发生扭转（根据资料和我们试验，最大扭转角一般设定为4左右，对应方向盘手动转矩10Nm）扭杆一端的凸轮滑套机构将此扭转角转变为差分变压器中铁芯（滑套）的轴向位移，差分变压器再将铁芯的轴向位移转变为电压信号输入控制装置ECU，形成转矩信号。此套转矩传感器设计方案采用非接触测量，传感电路采用差分变压器双回路结构，具有较高的传感精度和良好的温度特性，抗干扰能力强方案二：采用扭杆和光栅检测系统组成方向盘转矩传感器，如所示。检测圆盘上刻有等距通光狭缝，发光二极管和光敏三极管组件组成检测光路。转向时，扭杆发生扭转将方向盘转向轴的转矩转变为两光栅盘的相对转动，使通过狭缝的光的强度发生与转矩成比例的变化，再转变为计数光电脉冲输出，可直接送入电控单元ECU处理该转矩传感器方案也采用间接测量方式，利用了光栅具有精度高、响应时间快和数字信号输出便于数据处理的特点。缺点是作为光电式3.2方向盘转速传感器的设计方向盘转速传感器检测方向盘转速当转速大，电控单元据此信号使电动机转速提高，以满足快速转向的要求考虑到该传感器与转矩传感器都是对方向盘转向参数进行检测，为便于安装调试，希望做到与转矩传感器结构上集成为此，如所示，利用在方案一中转向轴上的齿轮，设置传动齿轮和直流发电机组成方向盘转速传感器方向盘转速经过齿轮传动机构放大后驱动直流发电机，发电机输出电压信号的极性和幅值送入电控单元ECU处理后可确定方向盘转动方向和转速S大小。在方案二中置光电发射和接收元件，利用接收光电脉冲的先后顺序和速度可确定方向盘转动方向和转速，较方案一结构更为紧凑。
上述两种方向盘转矩传感器及转速传感器设计方案各有特点具体结构和安装加固方案考虑到汽车的特点，先制成样件在方向机生产厂家装车试运行，进行不同车型、路况条件下对比考察。进一步搜集实测数据，修改设计。
4结论电子控制助力转向系统ECPS是未来汽车转向系统的发展方向，其所选用的传感元件方案设计和结构设计不仅应满足传感器的一般设计制造要求，更应注意行驶过程带来的冲击振动、温差、灰尘等恶劣环境中传感器工作的可靠性为此，采用非接触测量注重温度补偿和结构防震设计等都值得注意。本文讨论的两种传感器设计方案在具体实现过程中均作了充分考虑，以保证在实际试用中性能稳定可靠
ECPS系统中传感器的设计汽车振动、温差灰尘的特定行驶环境和人身安全的考虑要求汽车用传感器必须可靠而灵敏在ECPS系统中，电控单元需要从多种传感器获得与控制有关的信号这些传感器用以确定转向助力和进行故障自诊断其中，方向盘转矩传感器和转速传感器是ECPS系统中的核心传感器根据项目要求，试制两套方案3.1方向盘转矩传感器的设计方案一：米用扭杆和差分变压器组成方向盘转矩传感器，如所示。扭杆为一可发生一定扭转变形的细长轴，其一端联接方向盘转向轴，另一端联接齿轮转向器中齿轮汽车转向时，在方向盘施加力矩和转向小齿轮反馈的来自路面转向阻力矩作用下，扭杆发生扭转（根据资料和我们试验，最大扭转角一般设定为4左右，对应方向盘手动转矩10Nm）扭杆一端的凸轮滑套机构将此扭转角转变为差分变压器中铁芯（滑套）的轴向位移，差分变压器再将铁芯的轴向位移转变为电压信号输入控制装置ECU，形成转矩信号。此套转矩传感器设计方案采用非接触测量，传感电路采用差分变压器双回路结构，具有较高的传感精度和良好的温度特性，抗干扰能力强方案二：采用扭杆和光栅检测系统组成方向盘转矩传感器，如所示。检测圆盘上刻有等距通光狭缝，发光二极管和光敏三极管组件组成检测光路。转向时，扭杆发生扭转将方向盘转向轴的转矩转变为两光栅盘的相对转动，使通过狭缝的光的强度发生与转矩成比例的变化，再转变为计数光电脉冲输出，可直接送入电控单元ECU处理该转矩传感器方案也采用间接测量方式，利用了光栅具有精度高、响应时间快和数字信号输出便于数据处理的特点。缺点是作为光电式3.2方向盘转速传感器的设计方向盘转速传感器检测方向盘转速当转速大，电控单元据此信号使电动机转速提高，以满足快速转向的要求考虑到该传感器与转矩传感器都是对方向盘转向参数进行检测，为便于安装调试，希望做到与转矩传感器结构上集成为此，如所示，利用在方案一中转向轴上的齿轮，设置传动齿轮和直流发电机组成方向盘转速传感器方向盘转速经过齿轮传动机构放大后驱动直流发电机，发电机输出电压信号的极性和幅值送入电控单元ECU处理后可确定方向盘转动方向和转速S大小。在方案二中置光电发射和接收元件，利用接收光电脉冲的先后顺序和速度可确定方向盘转动方向和转速，较方案一结构更为紧凑。上述两种方向盘转矩传感器及转速传感器设计方案各有特点具体结构和安装加固方案考虑到汽车的特点，先制成样件在方向机生产厂家装车试运行，进行不同车型、路况条件下对比考察。进一步搜集实测数据，修改设计。
4结论电子控制助力转向系统ECPS是未来汽车转向系统的发展方向，其所选用的传感元件方案设计和结构设计不仅应满足传感器的一般设计制造要求，更应注意行驶过程带来的冲击振动、温差、灰尘等恶劣环境中传感器工作的可靠性为此，采用非接触测量注重温度补偿和结构防震设计等都值得注意。本文讨论的两种传感器设计方案在具体实现过程中均作了充分考虑，以保证在实际试用中性能稳定可靠