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。
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。