一种汽车方向盘转角传感器以及转角信号的处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种传感器技术领域，特别是涉及一种汽车方向盘转角传感器。此外， 本发明涉及一种对转角信号的处理方法。
【背景技术】
[0002] 汽车方向盘转角传感器是汽车电控系统的重要组成部件，为汽车电子稳定系统和 大灯随动转向提供方向盘转角和转向信号。随着电子稳定系统和大灯随动转向这两项技术 在汽车上的普及，汽车方向盘转角传感器的需求量也在不断上升。市场上方向盘转角传感 器有光电感应式、电阻分压式、电磁感应式等多种样式。
[0003] 最初的方向盘转角传感器是基于电阻分压式的，在滑动触点和电阻器的相互运动 过程中，二者会产生磨损，这影响了传感器的使用寿命。这类传感器的尺寸比较大，这就给 安装空间提出了要求，信号处理电路也比较复杂，此类传感器现在已经很少使用。
[0004] 光电感应式方向盘转角传感器由于在结构上需要一个或多个永久光源，所以在寿 命和可靠性上具有一定的劣势。同时，汽车方向盘转角传感器工作在高温、震动强烈的环境 下，这就对光电感应式传感器这种较精密复杂元件提出了严格的要求。所以，基于光电感应 的传感器逐渐被淘汰，但是光电感应式传感器的编码和解码方式给我们信号处理提供了思 路。
[0005] 电磁感应式传感器利用永磁体和电子线路来产生与转角相关的信号，基于的原理 包括霍尔效应和磁阻效应。磁阻效应是一项新兴的技术，具有代表性的产品有GMR芯片，此 芯片可以通过检测外加磁场的变化达到检测转角的目的，在某些方面非常适合方向盘转角 传感器，但是GMR芯片受到磁场范围、气隙等多方面因素的限制，并且需要用复杂的机械结 构来判断方向盘的转向，从而导致此类方向盘转角传感器在制造精度和安装精度上都有严 格要求，由此导致的测量误差需要通过软件校正，比较复杂。
[0006] 霍尔效应方向盘转角传感器是比较成熟的一项技术，市场上适应各种场合的霍尔 传感器种类繁多，因此基于霍尔效应的传感器在实用方面有很大优势，并且霍尔传感器能 够适应方向盘转角传感器的工作环境，能够在高温下正常工作，并且不受震动和粉尘的影 响，是比较理想的传感器元件，但是霍尔传感器只能输出数字信号，不适用对分辨率要求很 高的方向盘转角传感器，因此，利用霍尔传感器就必须要解决分辨率低和辨向的问题。
[0007] 方向辨别和角度分辨率问题是汽车方向盘转角传感器的两个技术难点，所以，人 们提出了许多种设计方案来解决这个两个问题。这些方案大都基于以上原理，同时也具有 以上原理自身的不足。
[0008] 中国专利（CN 202074985 U)公开了一种基于光电编码器的方向盘转角测量方案， 通过三个U型光耦元件和三组透光板与不透光板交替码道的组合，码道转动时，三个光耦 元件会输出三列周期和相位不同的脉冲序列，根据脉冲序列能够计算出方向盘的转动方向 和转动角度。首先，这种方案还是基于光电效原理提出的，所以在可靠性方面就有缺陷，并 且此方案采用三个光耦元件，这样一来更加减少了传感器的使用寿命；其次，码道上不透明 遮光板的数量是有限的，所以转盘转动一周产生的脉冲数量也是有限的，传感器的分辨率 就受到很大限制，但是脉冲信号的精度比较高，相对误差较小，比较适合方向盘转角传感器 工作条件的要求，在震动过程中不会产生较大误差，采用多列脉冲信号辨向的方式也比较 简单。
[0009] 中国专利（CN 103983183 A)披露了一种基于巨磁阻效应的方向盘转角测量方案， 此方案基于GMR芯片能够输出与角度有关的模拟信号的特点，其产品的分辨率能够无限提 高，但是GMR芯片只能输出单圈转角信号，并且不能独立辨别方向，所以此方案采用一个主 动齿轮与两个从动齿轮啮合，两个从动齿轮的齿数是不等的，通过两个GMR芯片输出信号 的信号差，根据电压信号就可以标定主动齿轮的转动角度和方向，具体的，方向盘在-2圈 的时候能够对应角度为0°，复位时对应720°，+2圈的时候对应1440°。这种方案必然能 够满足方向盘转角传感器的需求，但是这种利用巨磁阻效应测量方向盘转动绝对角度的汽 车方向盘转角传感器对结构精度要求高，容易造成圈数误判的问题，这样就带来了成本和 制造、安装精度等一系列问题，因此我们必须提出更加简单可靠的转角测量方案。
【发明内容】
[0010] 为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种汽车方向盘转角传感器以及 转角信号的处理方法。该发明可实现方向识别、转角与角速度计算功能，引入的四倍频电路 和软件修正算法使方向盘转角传感器分辨率达到0. 0070°。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种汽车方向盘转角传感器，包括 机械部分和信号处理电路部分，所述机械部分：主齿轮中心位置上有供方向盘转向柱穿过 的通孔II，主齿轮内环周边的安装爪与方向盘转向柱相配合使二者相对固定，主齿轮与小 齿轮周向固定在下壳体的凹槽内并相互啮合。下壳体内的凸台装配轴上安装小齿轮，方向 盘转向柱通过主齿轮带动小齿轮转动，与小齿轮同轴的磁环托盘上安装磁环，所述磁环上 的N、S极为交替布置。两个双极霍尔传感器A、B分别在磁环的外圆周上呈90°布置，上 壳体上有供主齿轮穿过的通孔III。所述信号处理电路部分：两个双极霍尔传感器A、B分别 在磁环的外圆周上呈90°布置，这种布置能保证两个双极霍尔传感器A、B产生两列相位差 为四分之一周期的脉冲序列，单片机通过判断哪一个脉冲序列先到达来判断方向盘的转动 角度；同时对磁环的N、S极交替排列，在双极霍尔传感器元件能够识别的范围内，尽量增加 单位磁极的数目，两个双极霍尔传感器A、B产生的两路脉冲信号一方面输入单片机对转动 方向进行识别，另一方面经过四倍频电路处理后产生四倍频信号进入单片机，对转动角度 进行计数；单片机对两路双极霍尔传感器A、B的脉冲信号和四倍频信号处理以后会产生转 向、转角和角速度信号，最终结果通过CAN接口与整车总线系统连接，也可以通过串口供其 他系统使用，还可以通过DAC数模转换器转换成与电压相关的转角信号或可直接输出脉冲 信号和模拟量信号供其它元件使用；本发明一个提高分辨率的途径为采用四倍频电路，两 列脉冲的任意一个上升沿或下降沿都会被四倍频电路计数并产生一个脉冲周期，此脉冲频 率为原脉冲频率的四倍，传感器的分辨率就提高了四倍，单片机通过对此脉冲序列进行处 理和计数，达到计算转角的目的。
[0012] 所述两个双极霍尔传感器A、B内部布置合理的情况下，尽量增加磁环的直径，这 样一个周期内就会产生更多的脉冲，使传感器的分辨率得到明显提高。
[0013] 所述主齿轮与小齿轮的传动比为i = 2~4。
[0014] -种汽车方向盘转角传感器转角信号的处理方法，所述方法的具体步骤如下：所 述方法的具体步骤如下：
[0015] 步骤 1 :
[0016] 两个双极霍尔传感器A、B上电