一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以及轉(zhuǎn)角信號的處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。此外， 本發(fā)明涉及一種對轉(zhuǎn)角信號的處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是汽車電控系統(tǒng)的重要組成部件，為汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)和 大燈隨動轉(zhuǎn)向提供方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向信號。隨著電子穩(wěn)定系統(tǒng)和大燈隨動轉(zhuǎn)向這兩項技術(shù) 在汽車上的普及，汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的需求量也在不斷上升。市場上方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器有光電感應(yīng)式、電阻分壓式、電磁感應(yīng)式等多種樣式。
[0003] 最初的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是基于電阻分壓式的，在滑動觸點和電阻器的相互運(yùn)動 過程中，二者會產(chǎn)生磨損，這影響了傳感器的使用壽命。這類傳感器的尺寸比較大，這就給 安裝空間提出了要求，信號處理電路也比較復(fù)雜，此類傳感器現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。
[0004] 光電感應(yīng)式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器由于在結(jié)構(gòu)上需要一個或多個永久光源，所以在壽 命和可靠性上具有一定的劣勢。同時，汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器工作在高溫、震動強(qiáng)烈的環(huán)境 下，這就對光電感應(yīng)式傳感器這種較精密復(fù)雜元件提出了嚴(yán)格的要求。所以，基于光電感應(yīng) 的傳感器逐漸被淘汰，但是光電感應(yīng)式傳感器的編碼和解碼方式給我們信號處理提供了思 路。
[0005] 電磁感應(yīng)式傳感器利用永磁體和電子線路來產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角相關(guān)的信號，基于的原理 包括霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)是一項新興的技術(shù)，具有代表性的產(chǎn)品有GMR芯片，此 芯片可以通過檢測外加磁場的變化達(dá)到檢測轉(zhuǎn)角的目的，在某些方面非常適合方向盤轉(zhuǎn)角 傳感器，但是GMR芯片受到磁場范圍、氣隙等多方面因素的限制，并且需要用復(fù)雜的機(jī)械結(jié) 構(gòu)來判斷方向盤的轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致此類方向盤轉(zhuǎn)角傳感器在制造精度和安裝精度上都有嚴(yán) 格要求，由此導(dǎo)致的測量誤差需要通過軟件校正，比較復(fù)雜。
[0006] 霍爾效應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是比較成熟的一項技術(shù)，市場上適應(yīng)各種場合的霍爾 傳感器種類繁多，因此基于霍爾效應(yīng)的傳感器在實用方面有很大優(yōu)勢，并且霍爾傳感器能 夠適應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的工作環(huán)境，能夠在高溫下正常工作，并且不受震動和粉塵的影 響，是比較理想的傳感器元件，但是霍爾傳感器只能輸出數(shù)字信號，不適用對分辨率要求很 高的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，因此，利用霍爾傳感器就必須要解決分辨率低和辨向的問題。
[0007] 方向辨別和角度分辨率問題是汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的兩個技術(shù)難點，所以，人 們提出了許多種設(shè)計方案來解決這個兩個問題。這些方案大都基于以上原理，同時也具有 以上原理自身的不足。
[0008] 中國專利（CN 202074985 U)公開了一種基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角測量方案， 通過三個U型光耦元件和三組透光板與不透光板交替碼道的組合，碼道轉(zhuǎn)動時，三個光耦 元件會輸出三列周期和相位不同的脈沖序列，根據(jù)脈沖序列能夠計算出方向盤的轉(zhuǎn)動方向 和轉(zhuǎn)動角度。首先，這種方案還是基于光電效原理提出的，所以在可靠性方面就有缺陷，并 且此方案采用三個光耦元件，這樣一來更加減少了傳感器的使用壽命；其次，碼道上不透明 遮光板的數(shù)量是有限的，所以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)量也是有限的，傳感器的分辨率 就受到很大限制，但是脈沖信號的精度比較高，相對誤差較小，比較適合方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 工作條件的要求，在震動過程中不會產(chǎn)生較大誤差，采用多列脈沖信號辨向的方式也比較 簡單。
[0009] 中國專利（CN 103983183 A)披露了一種基于巨磁阻效應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角測量方案， 此方案基于GMR芯片能夠輸出與角度有關(guān)的模擬信號的特點，其產(chǎn)品的分辨率能夠無限提 高，但是GMR芯片只能輸出單圈轉(zhuǎn)角信號，并且不能獨立辨別方向，所以此方案采用一個主 動齒輪與兩個從動齒輪嚙合，兩個從動齒輪的齒數(shù)是不等的，通過兩個GMR芯片輸出信號 的信號差，根據(jù)電壓信號就可以標(biāo)定主動齒輪的轉(zhuǎn)動角度和方向，具體的，方向盤在-2圈 的時候能夠?qū)?yīng)角度為0°，復(fù)位時對應(yīng)720°，+2圈的時候?qū)?yīng)1440°。這種方案必然能 夠滿足方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的需求，但是這種利用巨磁阻效應(yīng)測量方向盤轉(zhuǎn)動絕對角度的汽 車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器對結(jié)構(gòu)精度要求高，容易造成圈數(shù)誤判的問題，這樣就帶來了成本和 制造、安裝精度等一系列問題，因此我們必須提出更加簡單可靠的轉(zhuǎn)角測量方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以及 轉(zhuǎn)角信號的處理方法。該發(fā)明可實現(xiàn)方向識別、轉(zhuǎn)角與角速度計算功能，引入的四倍頻電路 和軟件修正算法使方向盤轉(zhuǎn)角傳感器分辨率達(dá)到0. 0070°。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，包括 機(jī)械部分和信號處理電路部分，所述機(jī)械部分：主齒輪中心位置上有供方向盤轉(zhuǎn)向柱穿過 的通孔II，主齒輪內(nèi)環(huán)周邊的安裝爪與方向盤轉(zhuǎn)向柱相配合使二者相對固定，主齒輪與小 齒輪周向固定在下殼體的凹槽內(nèi)并相互嚙合。下殼體內(nèi)的凸臺裝配軸上安裝小齒輪，方向 盤轉(zhuǎn)向柱通過主齒輪帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，與小齒輪同軸的磁環(huán)托盤上安裝磁環(huán)，所述磁環(huán)上 的N、S極為交替布置。兩個雙極霍爾傳感器A、B分別在磁環(huán)的外圓周上呈90°布置，上 殼體上有供主齒輪穿過的通孔III。所述信號處理電路部分：兩個雙極霍爾傳感器A、B分別 在磁環(huán)的外圓周上呈90°布置，這種布置能保證兩個雙極霍爾傳感器A、B產(chǎn)生兩列相位差 為四分之一周期的脈沖序列，單片機(jī)通過判斷哪一個脈沖序列先到達(dá)來判斷方向盤的轉(zhuǎn)動 角度；同時對磁環(huán)的N、S極交替排列，在雙極霍爾傳感器元件能夠識別的范圍內(nèi)，盡量增加 單位磁極的數(shù)目，兩個雙極霍爾傳感器A、B產(chǎn)生的兩路脈沖信號一方面輸入單片機(jī)對轉(zhuǎn)動 方向進(jìn)行識別，另一方面經(jīng)過四倍頻電路處理后產(chǎn)生四倍頻信號進(jìn)入單片機(jī)，對轉(zhuǎn)動角度 進(jìn)行計數(shù)；單片機(jī)對兩路雙極霍爾傳感器A、B的脈沖信號和四倍頻信號處理以后會產(chǎn)生轉(zhuǎn) 向、轉(zhuǎn)角和角速度信號，最終結(jié)果通過CAN接口與整車總線系統(tǒng)連接，也可以通過串口供其 他系統(tǒng)使用，還可以通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與電壓相關(guān)的轉(zhuǎn)角信號或可直接輸出脈沖 信號和模擬量信號供其它元件使用；本發(fā)明一個提高分辨率的途徑為采用四倍頻電路，兩 列脈沖的任意一個上升沿或下降沿都會被四倍頻電路計數(shù)并產(chǎn)生一個脈沖周期，此脈沖頻 率為原脈沖頻率的四倍，傳感器的分辨率就提高了四倍，單片機(jī)通過對此脈沖序列進(jìn)行處 理和計數(shù)，達(dá)到計算轉(zhuǎn)角的目的。
[0012] 所述兩個雙極霍爾傳感器A、B內(nèi)部布置合理的情況下，盡量增加磁環(huán)的直徑，這 樣一個周期內(nèi)就會產(chǎn)生更多的脈沖，使傳感器的分辨率得到明顯提高。
[0013] 所述主齒輪與小齒輪的傳動比為i = 2~4。
[0014] -種汽車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)角信號的處理方法，所述方法的具體步驟如下：所 述方法的具體步驟如下：
[0015] 步驟 1 :
[0016] 兩個雙極霍爾傳感器A、B上電