扭矩傳感器是汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到EPS系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文介紹了目前具有代表性的幾種扭矩傳感器，同時(shí)預(yù)測了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢。
隨著人們對(duì)環(huán)保問題的日益重視以及汽車電子的迅猛發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）這個(gè)集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的產(chǎn)品正越來越受到汽車廠商的重視。EPS與技術(shù)成熟的HPS相比，市場份額已初具規(guī)模。目前全球汽車工業(yè)發(fā)展勢頭良好，尤其是在中國市場。汽車電子能夠極大提升汽車性能，多數(shù)汽車部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子化。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的重要組成部件，電子化也必將成為今后的必然趨勢。目前，在全世界汽車行業(yè)中，EPS系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長速度發(fā)展。國家發(fā)展改革委新修訂的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》于2011年6月1日起開始實(shí)施。與上一版（2005年本）相比，新目錄在汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)部分做了較大調(diào)整。其中，汽車業(yè)的政策優(yōu)待程度“鼓勵(lì)類”中新增加了電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這表明未來EPS將得到國家相關(guān)政策的大力扶持。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通過扭矩傳感器探測司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元，再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。下圖為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS（electric power steering）是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS（hydraulic power steering）相比，EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力，能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng)，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，提高汽車的主動(dòng)安全性；沒有液壓回路，調(diào)整和檢測更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，且可通過設(shè)置不同的程序，快速與不同車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在漏油問題，減小對(duì)環(huán)境的污染。EPS系統(tǒng)是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。如圖1所示，EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成。通過傳感器探測司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元，再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。
1、按傳感器的敏感元件來分類，扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式扭矩傳感器應(yīng)用較廣泛的主要有兩種，一種是新躍儀表廠生產(chǎn)的懸臂梁式傳感器，一種是美國BI公司生產(chǎn)的雙圓盤式傳感器。非接觸式傳感器主要有基于MMT公司技術(shù)的霍爾式傳感器，代表性的公司有BOSCH公司、LG公司、BI公司、Valeo公司，另外還有Hella公司設(shè)計(jì)的電感耦合式傳感器，Methode electronics公司設(shè)計(jì)的電容式傳感器，Lucas公司設(shè)計(jì)的光電式傳感器。
接觸式傳感器容易受溫度和磨損的影響而產(chǎn)生信號(hào)漂移，使用一段時(shí)間后傳感器的輸出性能會(huì)下降，還容易產(chǎn)生噪聲問題。但接觸式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，因此在EPS系統(tǒng)中仍然被廣泛使用。非接觸式傳感器具有無磨損、無噪聲、耐久性可靠性高、遲滯小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)于接觸式傳感器來說價(jià)格要高一些，在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用，其批量供貨情況還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前世界主流的EPS供應(yīng)商的產(chǎn)品中配套的都是非接觸式扭矩傳感器。因此，從長遠(yuǎn)來看，非接觸式的扭矩傳感器必將取代接觸式的扭矩傳感器。目前非接觸式的國產(chǎn)傳感器還沒有能夠批量供貨的，對(duì)于國內(nèi)各傳感器廠商來說盡早推出這種形式的傳感器是一個(gè)機(jī)遇，也可以為擺脫我國多年來汽車電子產(chǎn)品“空心化”局面，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)一份力量。
2、按傳感器的功能來分類，可以分為只輸出扭矩信號(hào)的傳感器（Torque only Sensor，TOS）和扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)角信號(hào)集成的傳感器（Torque Angle Sensor，TAS）。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置。轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)于回正和阻尼邏輯的開發(fā)十分重要，也可以供主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，自動(dòng)泊車系統(tǒng)，車輛穩(wěn)定系統(tǒng)等控制器使用。
選用TAS還是TOS需要根據(jù)車輛的整體策略，以及整車廠對(duì)EPS的性能要求，在性能和價(jià)格之間做出權(quán)衡。如果對(duì)EPS的主動(dòng)回正和阻尼控制性能要求不是很高，則選用TOS即可，可以通過回正補(bǔ)償、回正力矩估計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行回正控制。如果整車廠對(duì)EPS的主動(dòng)回正和阻尼控制性能要求較高，則必須要有轉(zhuǎn)角信號(hào)，轉(zhuǎn)角信號(hào)除了可以從集成了轉(zhuǎn)角信號(hào)的扭矩傳感器中獲得外，如果車輛中有電子穩(wěn)定程序（Electronic Stability Program，ESP），并且已經(jīng)有了轉(zhuǎn)向角度傳感器（Steering Angle Sensor，SAS），則轉(zhuǎn)角信號(hào)也可以從SAS獲得。
正是因?yàn)門AS和TOS的需求都存在，所以目前很多傳感器供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)考慮模塊化設(shè)計(jì)，即TAS是在TOS的基礎(chǔ)上增加角度檢測模塊，其他零件兩款傳感器可以共用。這樣盡可能的實(shí)現(xiàn)了零部件的通用花，可以有效的降低產(chǎn)品成本。
電位計(jì)式：
該類型傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。通過電刷在碳膜電阻上位置的改變來輸出不同的電壓值。其缺點(diǎn)在于每一次使用的過程中都會(huì)導(dǎo)致電刷和碳膜電阻的磨損，經(jīng)過長時(shí)間的使用之后會(huì)降低精度乃至失效。在使用路況惡劣的條件下，更會(huì)加速傳感器的損壞，尤其在有較大振動(dòng)的情況下，極端條件下會(huì)出現(xiàn)電刷與碳膜電阻脫開導(dǎo)致傳感器無信號(hào)輸出的情況。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。代表性的產(chǎn)品為新躍儀表廠和美國BI公司生產(chǎn)的扭矩傳感器。電位計(jì)式扭矩傳感器輸出模擬信號(hào)，在設(shè)計(jì)ECU上的接口電路時(shí)只需進(jìn)行簡單的濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化。
霍爾式：
該類型傳感器應(yīng)用霍爾芯片測出與輸入、輸出軸相對(duì)角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由調(diào)制電流信號(hào)的占空比來表示。
1、轉(zhuǎn)子為磁性材料，上面有多對(duì)磁極。與EPS中的輸入或者輸出軸連接。
2、一對(duì)定子由軟鐵磁材料制成，彼此相對(duì)布置，與EPS中的輸出或者輸入軸連接。輸出、輸入軸通過扭桿連接在一起。
3、一片或者兩片（冗余設(shè)計(jì)）霍爾芯片與傳感器殼體相連，安裝在定子之間的測試槽中。
該類傳感器目前在國外已成為EPS用扭矩傳感器的主流產(chǎn)品，也是國內(nèi)傳感器的主要發(fā)展趨勢。但是最先發(fā)明這款傳感器的MMT公司已經(jīng)率先申請(qǐng)了一系列的相關(guān)專利，要生產(chǎn)霍爾原理的扭矩傳感器首先需要支付一筆高昂的費(fèi)用給MMT公司來獲得專利使用許可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通過購買專利使用許可來獲得這一技術(shù)的使用權(quán)的。只有BOSCH公司通過將磁性材料由MMT公司的軸向布置改為徑向布置成功規(guī)避了MMT公司的專利保護(hù)。另外，傳感器中的核心部件：轉(zhuǎn)子（磁性材料），定子（軟鐵磁材料）由于國內(nèi)材料及加工水平的限制，還沒有合格的供應(yīng)商。這是該類傳感器實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)廣泛使用，首先需要解決的問題。
電感耦合式：
同其他扭矩傳感器一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。在PCB上的定子由激勵(lì)線圈、3個(gè)感應(yīng)接受線圈和其他信號(hào)處理電子元件組成，轉(zhuǎn)子是一塊簡單的沖壓金屬片。激勵(lì)線圈中的電流產(chǎn)生電磁場與轉(zhuǎn)子發(fā)生感應(yīng)耦合，轉(zhuǎn)子再與接受線圈發(fā)生二次感應(yīng)耦合，定子上的電壓幅值隨定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置而變化，信號(hào)處理單元接收線圈的電壓信號(hào)，進(jìn)行整流、放大并成對(duì)地將其按比例輸出。
光電式：
兩個(gè)光碼盤分別與輸入、輸出軸相連，輸入、輸出軸通過扭桿連接，當(dāng)扭桿受扭矩作用時(shí)，兩光碼盤上的內(nèi)、外兩圈孔的重疊面積將變化，從而光接收裝置的輸出電壓也變化，據(jù)此可以檢測出所施加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。由于光電式傳感器對(duì)環(huán)境的要求比較高，對(duì)外部雜質(zhì)、粉塵等比較敏感，所以正在被霍爾式扭矩傳感器逐步替代。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用扭矩傳感器的發(fā)展趨勢
隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)扭矩傳感器提出了更高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢：
1、集成化，隨著車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展，除需要知道轉(zhuǎn)向盤力矩信號(hào)外，還迫切需要轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)，供EPS、AFS（AcTIve Front Wheel Steering）和ESP（Electronic Stability Program）等控制器使用。
2、集轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器功能于一體的多信號(hào)傳感器成為傳感器的發(fā)展趨勢。轉(zhuǎn)角傳感器用于實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置，轉(zhuǎn)角信號(hào)有利于EPS更好的實(shí)現(xiàn)回正控制。集成化可以更好地減少零部件數(shù)量、節(jié)省成本、節(jié)約內(nèi)部空間，使EPS系統(tǒng)內(nèi)布置更加緊湊。
來源：電工基礎(chǔ)知識(shí)網(wǎng)
