学文网摘 要：扭矩传感器是汽车电动助力转向系统（EPS）的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到EPS系统性能的优劣。本文介绍了目前具有代表性的几种扭矩传感器，同时预测了电动助力转向系统用扭矩传感器的发展趋势。
关键词：电动助力转向系统；扭矩传感器；电位计式；霍尔式；电感耦合式；光电式
1 概述
随着人们对环保问题的日益重视以及汽车电子的迅猛发展，电动助力转向系统（Electric Power Steering，EPS）这个集环保、节能、安全、舒适为一体的产品正越来越受到汽车厂商的重视。EPS与技术成熟的HPS相比，市场份额已初具规模。目前全球汽车工业发展势头良好，尤其是在中国市场。汽车电子能够极大提升汽车性能，多数汽车部件已经实现了电子化。转向系统作为汽车的重要组成部件，电子化也必将成为今后的必然趋势。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正以9%-10%的增长速度发展。国家发展改革委新修订的《产业结构调整指导目录（2011年本）》于2011年6月1日起开始实施。与上一版（2005年本）相比，新目录在汽车产业相关部分做了较大调整。其中，汽车业的***策优待程度“鼓励类”中新增加了电动转向系统，这表明未来EPS将得到国家相关***策的大力扶持。[1]
电动助力转向系统中，通过扭矩传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。
2 电动助力转向系统用扭矩传感器分类
按传感器的敏感元件来分类，扭矩传感器主要有接触式和非接触式两大类。其中接触式扭矩传感器应用较广泛的主要有两种，一种是新跃仪表厂生产的悬臂梁式传感器，一种是美国BI公司生产的双圆盘式传感器。非接触式传感器主要有基于MMT公司技术的霍尔式传感器，代表性的公司有BOSCH公司、LG公司、BI公司、Valeo公司，另外还有Hella公司设计的电感耦合式传感器，Methode electronics公司设计的电容式传感器，Lucas公司设计的光电式传感器。
接触式传感器容易受温度和磨损的影响而产生信号漂移，使用一段时间后传感器的输出性能会下降，还容易产生噪声问题。但接触式传感器结构简单、价格低廉，因此在EPS系统中仍然被广泛使用。非接触式传感器具有无磨损、无噪声、耐久性可靠性高、迟滞小、精度高等优点。但相对于接触式传感器来说价格要高一些，在国内尚未得到广泛应用，其批量供货情况还有待进一步验证。目前世界主流的EPS供应商的产品中配套的都是非接触式扭矩传感器。因此，从长远来看，非接触式的扭矩传感器必将取代接触式的扭矩传感器。目前非接触式的国产传感器还没有能够批量供货的，对于国内各传感器厂商来说尽早推出这种形式的传感器是一个机遇，也可以为摆脱我国多年来汽车电子产品“空心化”局面，拉动相关产业的发展献一份力量。
按传感器的功能来分类，可以分为只输出扭矩信号的传感器（Torque Only Sensor，TOS）和扭矩信号和转角信号集成的传感器（Torque Angle Sensor，TAS）。转角传感器用于实时检测转向盘的转动方向以及转向盘的位置。转角信号对于回正和阻尼逻辑的开发十分重要，也可以供主动前轮转向系统，自动泊车系统，车辆稳定系统等控制器使用。
选用TAS还是TOS需要根据车辆的整体策略，以及整车厂对EPS的性能要求，在性能和价格之间做出权衡。如果对EPS的主动回正和阻尼控制性能要求不是很高，则选用TOS即可，可以通过回正补偿、回正力矩估计、试验数据统计分析等方法进行回正控制。如果整车厂对EPS的主动回正和阻尼控制性能要求较高，则必须要有转角信号，转角信号除了可以从集成了转角信号的扭矩传感器中获得外，如果车辆中有电子稳定程序（Electronic Stability Program，ESP），并且已经有了转向角度传感器（Steering Angle Sensor，SAS），则转角信号也可以从SAS获得。
正是因为TAS和TOS的需求都存在，所以目前很多传感器供应商在产品设计的时候都会考虑模块化设计，即TAS是在TOS的基础上增加角度检测模块，其他零件两款传感器可以共用。这样尽可能的实现了零部件的通用花，可以有效的降低产品成本。
3 各类型电动助力转向系统用扭矩传感器介绍
（1） 电位计式，该类型传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。通过电刷在碳膜电阻上位置的改变来输出不同的电压值。其缺点在于每一次使用的过程中都会导致电刷和碳膜电阻的磨损，经过长时间的使用之后会降低精度乃至失效。在使用路况恶劣的条件下，更会加速传感器的损坏，尤其在有较大振动的情况下，极端条件下会出现电刷与碳膜电阻脱开导致传感器无信号输出的情况。优点是价格低廉，在国内得到广泛应用。代表性的产品为新跃仪表厂和美国BI公司生产的扭矩传感器。电位计式扭矩传感器输出模拟信号，在设计ECU上的接口电路时只需进行简单的滤波和模数转化。
（2） 霍尔式，该类型传感器应用霍尔芯片测出与输入、输出轴相对角位移成正比的磁通量。磁通量的大小由调制电流信号的占空比来表示。其主要结构如下***所示，[2]
a） 转子为磁性材料，上面有多对磁极。与EPS中的输入或者输出轴连接。
b） 一对定子由软铁磁材料制成，彼此相对布置，与EPS中的输出或者输入轴连接。输出、输入轴通过扭杆连接在一起。
c） 一片或者两片（冗余设计）霍尔芯片与传感器壳体相连，安装在定子之间的测试槽中。
该类传感器目前在国外已成为EPS用扭矩传感器的主流产品，也是国内传感器的主要发展趋势。但是最先发明这款传感器的MMT公司已经率先申请了一系列的相关专利，要生产霍尔原理的扭矩传感器首先需要支付一笔高昂的费用给MMT公司来获得专利使用许可。目前像LG公司、BI公司、Valeo公司等都是通过购买专利使用许可来获得这一技术的使用权的。只有BOSCH公司通过将磁性材料由MMT公司的轴向布置改为径向布置成功规避了MMT公司的专利保护。另外，传感器中的核心部件：转子（磁性材料），定子（软铁磁材料）由于国内材料及加工水平的限制，还没有合格的供应商。这是该类传感器实现国产化，实现国内广泛使用，首先需要解决的问题。
（3） 电感耦合式，同其他扭矩传感器一样，也是由定子和转子组成。在PCB上的定子由激励线圈、3个感应接受线圈和其他信号处理电子元件组成，转子是一块简单的冲压金属片。
激励线圈中的电流产生电磁场与转子发生感应耦合，转子再与接受线圈发生二次感应耦合，定子上的电压幅值随定子与转子之间的相对位置而变化，信号处理单元接收线圈的电压信号，进行整流、放大并成对地将其按比例输出。
（4） 光电式，其结构如下***所示，两个光码盘分别与输入、输出轴相连，输入、输出轴通过扭杆连接，当扭杆受扭矩作用时，两光码盘上的内、外两圈孔的重叠面积将变化，从而光接收装置的输出电压也变化，据此可以检测出所施加转矩的大小和方向。
由于光电式传感器对环境的要求比较高，对外部杂质、粉尘等比较敏感，所以正在被霍尔式扭矩传感器逐步替代。
4 电动助力转向系统用扭矩传感器的发展趋势
随着EPS系统的不断完善和发展，对扭矩传感器提出了更高的要求。EPS扭矩传感器正呈现以下的发展趋势：
1） 集成化，随着车辆底盘控制系统的发展，除需要知道转向盘力矩信号外，还迫切需要转向盘转角信号，供EPS、AFS（Active Front Wheel Steering）和ESP（Electronic Stability Program）等控制器使用。[3]集转角传感器和扭矩传感器功能于一体的多信号传感器成为传感器的发展趋势。转角传感器用于实时检测转向盘的转动方向以及转向盘的位置，转角信号有利于EPS更好的实现回正控制。集成化可以更好地减少零部件数量、节省成本、节约内部空间，使EPS系统内布置更加紧凑。
2） 引入CAN总线技术，可以向其他车载电子控制单元提供信号，实现数据共享，减少汽车中传感器的数量，促进车联网的发展。
3） 可靠性、安全性更强，从单功能向多功能发展，如包含自补偿、自适应、自诊断、信息存储、记忆功能等。
参考文献：
1 邵丽青. 电动助力转向系统（EPS）的应用现状及发展趋势. 汽车与配件. 2011-36（No.9）APA
2 Didier Angleviel. Development of a Contactless Hall effect torque sensor for Electric Power Steering， SAE Technical Paper Series. 2006-01-0939
3 余卓平，孟涛，陈慧，张立***. 电动助力转向系统的技术发展趋势. 汽车技术.2005 第9期
作者简介：
谢程 （1984年12月――），女，浙江，工学学士，研究方向为车用传感器技术。
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