基于各向异性磁阻效应的EPS角度传感器研究.doc

"基于各向异性磁阻效应的EPS角度传感器研究" 该研究基于磁阻效应设计了非接触式EPS角度传感器，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案。该传感器系统可以非接触式的测量角度。 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。 而当半导体所处外部磁场的磁场强度达到饱和的时候，其阻抗改变仅与磁场方向有关，被称之为各向异性磁阻效应（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）。半导体与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，若电流与磁化方向成角θ时，电阻可表示为： 磁阻传感器设计需充分考虑到磁阻效应里磁场饱和状态下阻抗变化仅与磁场方向相关的特性，依据此原理可以快速准确的测出角度，抗干扰特性较好，更为便捷。 在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图2所示。根据磁阻效应电阻公式及惠斯通电桥可以计算出该电桥在θ角的饱和磁场中输出为： 其中令，则Us为磁阻传感器工作电压，K为惠更斯电桥类磁阻芯片固有常数。K指作为磁阻传感器的固有属性，理论上是一个常数，但实际会因温度、湿度等外部环境的变化影响而发生改变，且单电桥磁阻角度传感器的角度测量范围仅为90°，两者都会给实际角度测量带来不便。 在汽车EPS中，转角传感器可以基于多种原理来实现，如光电效应、霍尔效应、磁阻效应、电阻分压效应、可变电容等。不同的实现方式要对应不同的信号处理策略，其优劣性对比如下： 电阻式转角传感器的理论依据是电阻的分压原理，它能够通过方向盘的转动带动电阻器上的滑动触电，属于绝对型接触式传感器，滑动触点在运动过程中存在着机械摩擦，滑动触点易磨损，并且工作时易产生噪声，以及体积大不便于安装等一系列缺点。 光电感应式角度传感器也就是我们通常所说的光电编码器。它的工作原理是：安装在方向盘管柱上的转角传感器跟随方向盘转轴的转动，此时光敏元器件会接受到光照，光敏元件将接收到的光信号转化为电信号并经过信号调理电路的整形和放大后变为电压脉冲输出。由于是基于光电感应原理，它的工作需要光源，安装要求较高，存在温度票移和绕线问题以及造价较高易于损坏的缺点。 电子电容式转角传感器由于只有电子电路构成，没有敏感元器件。缺点在于大量电子部件的存在使得电路的结构庞大复杂，而且很容易受到电磁干扰，因此电子式转角传感器的测量精度不高，不适合用于高精度要求的电动助力系统中。 霍尔（磁电）式转角传感器是由磁敏元件构成的集成传感器，它由霍尔敏感元件、信号调理电路和数字信号处理器构成。它的工作原理是：将磁铁安装在霍尔敏感芯片的上方，霍尔敏感元件能够将磁场的变化转换为电信号，并经过信号调理电路的整形和放大后变为电压脉冲输出。 本研究提出了一种基于磁阻效应的EPS角度传感器，具有非接触式测量、抗干扰特性好、体积小、成本低等优点，适合用于汽车EPS系统中。