一种用于EPS的转矩传感器设计

摘要

随着清洁能源步入居民生活的舞台，汽车的动力结构也在发生巨大的变化，由于人们对驾驶过程中方向盘操作的舒适度，以及路况感知体验的要求，助力系统自上个世纪以来就在汽车结构中得以应用并不断完善。如今，电动助力转向系统的推出，改变了依靠传统机械液压助力转向系统和电子液压助力转向系统，所带来的高能耗、占用空间大以及响应灵敏度不够高等缺点，同时由于其节能环保，安装方便，效率高，回正性好等特点而逐步成为未来汽车动力结构中的一个应用趋势。
　　作为电动助力转向系统中，转向检测的核心器件转矩传感器，种类也有很多：接触式转矩传感器主要有电位计式、金属电阻应变片式等等；非接触式转矩传感器主要有光栅式、电感式、电容式等等。本文将介绍一种闭合磁路非接触式转矩传感器的结构，同时对设计时所参考的国内外专利进行介绍，并对他们的优缺点进行综合对比分析。
　　在本设计中，采用3D静磁仿真软件CSTEM Studio对该磁路结构在主从级相对旋转不同角度时进行磁场环境仿真，并在传感器的固定检测级经霍尔传感器TLE4998P4，将检测到的磁场信息转换为占空比不同的 PWM波形，利用单片机STM8S103F3P6对该PWM波形进行信号处理，得出实时磁场强度大小、当前主从级相对旋转角度，确定从动级跟踪转动方向以及计算输入扭矩大小，并通过控制输出信号占空比，从而带动从动电机实现快速稳定的跟踪，即采用杠杆方式达到助力效果。整个系统硬件控制部分已初步完成，调试结果显示从动电机能够保持跟踪效果。但由于机械结构未及时加工出来，因此电机控制仅属于开环控制。
　　本设计的创新点在于该磁路转矩传感器的结构，采用主动、从动以及场强采集三级结构，其具有取磁强度较高、结构简单、快速成型、安装简便、寿命长等优点。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 电动助力转向系统简介

1.3 转矩传感器的发展

1.4 课题研究来源及意义

1.5 本文主要工作

1.6 本论文的结构安排

1.7 本章小结

第二章 转矩测量方式

2.1 电阻应变片式转矩传感器

2.2 电位计式转矩传感器

2.3 光电式转矩传感器

2.4 磁电式转矩传感器

2.5 逆磁致伸缩式转矩传感器

2.6 电感式转矩传感器

2.7霍尔式转矩传感器

2.8 本章小结

第三章 磁路转矩传感器的设计

3.1 转矩传感器设计参数

3.2 国外专利

3.3 本文设计专利

3.4 本章小结

第四章 传感器磁场仿真

4.1 磁场仿真环境

4.2 磁场仿真数据分析

4.3 本章小结

第五章 系统硬件设计

5.1 单片机STM8S103F3P6

5.2 霍尔传感器TLE4998P4

5.3 直流有刷电机

5.4 本章小结

第六章 系统软件设计

6.1 IAR集成开发环境

6.2 程序模块

6.3 PID控制算法

6.4 本章小结

第七章 系统初调结果

7.1 系统调试

7.2 本章小结

第八章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果