一种方向盘角度传感系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及方向盘相关技术领域，尤其是指一种方向盘角度传感系统及其测量方法。

背景技术

非接触式带CAN总线实现角度和速度测量技术的推广普及应用上国外进口技术产品一直处于领先地位，而且采用的芯片也普遍为国外进口。在测量精度和速度上无法实现与进口技术产品同等水平，同时也无法实现所有采用芯片的100%国产化，因此与进口技术存在较大的差距。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种具有高精度和高速度的方向盘角度传感系统及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种方向盘角度传感系统，包括角度传感组件和角度传感控制电路，所述的角度传感组件包括方向盘安装支架、主动齿轮、从动齿轮和霍尔传感组件，所述的主动齿轮和从动齿轮均安装在方向盘安装支架上，所述的从动齿轮安装在主动齿轮的外侧且与主动齿轮相啮合，所述的霍尔传感组件安装在从动齿轮上且与角度传感控制电路电连接。

本发明采用了当前比较先进的霍尔传感技术实现了角度非接触式测量，比传统接触式测量技术在磨损和寿命上得到了极大的提高，同时通过主动齿轮和从动齿轮的设计采用两个带齿差的齿轮，通过齿差数据又实现了角度的绝对定位技术；同时采用汽车CAN总线技术发送数据更加稳定可靠，实现了数据的高速实时传输。本发明实现了对汽车方向盘旋转角度和旋转速度进行精确测量，从而为汽车BCM提供精确实时的汽车方向盘动态转动速度和姿态数据，为汽车ABS和EPS系统提供动作依据。

作为优选，所述的方向盘安装支架上设有主动轮孔和从动轮孔，所述的主动齿轮安装在主动轮孔内，所述的从动齿轮安装在从动轮孔内，所述的从动齿轮和霍尔传感组件均有两个，所述的从动齿轮与霍尔传感组件一一对应。

作为优选，所述的霍尔传感组件包括永磁组件和霍尔传感芯片，所述的永磁组件安装在从动齿轮的中心位置处，所述的霍尔传感芯片安装在方向盘安装支架上且置于永磁组件的正上方。

作为优选，所述的永磁组件包括两块永磁铁，两块永磁铁均安装在从动齿轮的中心位置处且呈左右对称分布，其中一块永磁铁的S极与另一块永磁铁的N极相对应，所述的霍尔传感芯片置于两块永磁铁之间且与永磁组件不接触。

作为优选，所述的角度传感控制电路包括角度采集电路、电源稳压电路、数据收发电路和单片机，所述的角度采集电路、电源稳压电路和数据收发电路均与单片机电连接，所述的角度采集电路与霍尔传感芯片电连接，所述的数据收发电路电连接有车身BCM。

作为优选，所述的电源稳压电路为DCDC稳压电路，所述的DCDC稳压电路内设有电压电流保护电路。

作为优选，所述的角度采集电路通过SPI总线与单片机电连接。

作为优选，所述的数据收发电路通过CAN总线与车身BCM电连接。

本发明还提供了一种方向盘角度传感系统的测量方法，具体操作方法如下：

（1）当主动齿轮转360度时，两个从动齿轮转动角度的差值在不超过360度时，与主动齿轮的转动角度是具有线性对应关系的；

（2）两个从动齿轮的当前位置转动角度差值通过霍尔传感芯片直接读取到的值相减而获取；

（3）通过读取当前两个从动齿轮的实际位置差值实现对主动齿轮的实际位置进行绝对定位；

（4）单片机通过定时读取主动齿轮和两个从动齿轮的角度数据，根据时间变量与角度变量对应获取方向盘的角速度变化数据。

本方法采用霍尔传感芯片来测量角度原始数据，通过MCU读取测量数据进行运算得到最终角度和角速度数据，MCU结合CAN总线通讯芯片将数据通过CAN总线向外发送给汽车BCM。通过采用CAN总线技术发送数据更加稳定可靠。

作为优选，在步骤（2）中，具体为：假设主动齿轮的齿数为a，第一从动齿轮的齿数为b，第二从动齿轮的齿数为c，当主动齿轮转360度时，第一从动齿轮的实际转动角度为a/b*360度，第二从动齿轮的实际转动角度为a/c*360度，两个从动齿轮的转动角度之差为(a/b-a/c)*360度。

本发明的有益效果是：实现了角度非接触式测量，在磨损和寿命上得到了极大的提高，实现了角度的绝对定位技术；发送数据更加稳定可靠，实现了数据的高速实时传输，实现了对汽车方向盘旋转角度和旋转速度进行精确测量，从而为汽车BCM提供精确实时的汽车方向盘动态转动速度和姿态数据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的角度传感控制电路原理图。

图中：1. 方向盘安装支架，2. 主动轮孔，3. 主动齿轮，4. 永磁组件，5. 霍尔传感芯片，6. 从动齿轮，7. 从动轮孔，8. 霍尔传感组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所述的实施例中，一种方向盘角度传感系统，包括角度传感组件和角度传感控制电路，角度传感组件包括方向盘安装支架1、主动齿轮3、从动齿轮6和霍尔传感组件8，主动齿轮3和从动齿轮6均安装在方向盘安装支架1上，从动齿轮6安装在主动齿轮3的外侧且与主动齿轮3相啮合，霍尔传感组件8安装在从动齿轮6上且与角度传感控制电路电连接。方向盘安装支架1上设有主动轮孔2和从动轮孔7，主动齿轮3安装在主动轮孔2内，从动齿轮6安装在从动轮孔7内，从动齿轮6和霍尔传感组件8均有两个，从动齿轮6与霍尔传感组件8一一对应。霍尔传感组件8包括永磁组件4和霍尔传感芯片5，永磁组件4安装在从动齿轮6的中心位置处，霍尔传感芯片5安装在方向盘安装支架1上且置于永磁组件4的正上方。永磁组件4包括两块永磁铁，两块永磁铁均安装在从动齿轮6的中心位置处且呈左右对称分布，其中一块永磁铁的S极与另一块永磁铁的N极相对应，霍尔传感芯片5置于两块永磁铁之间且与永磁组件4不接触。

从图1中可以看出霍尔传感芯片5与从动齿轮6带动的永磁铁在物理上是完全隔离分开的，通过获取永磁铁的磁极变化角度而获取从动齿轮6变化角度，而从动齿轮6变化角度经主动齿轮3能够获取方向盘变化角度，从而实现非接触式方向盘角度检测技术。

如图2所示，角度传感控制电路包括角度采集电路、电源稳压电路、数据收发电路和单片机，角度采集电路、电源稳压电路和数据收发电路均与单片机电连接，角度采集电路与霍尔传感芯片5电连接，数据收发电路电连接有车身BCM。电源稳压电路为DCDC稳压电路，DCDC稳压电路内设有电压电流保护电路。角度采集电路通过SPI总线与单片机电连接。数据收发电路通过CAN总线与车身BCM电连接。

该角度传感控制电路采用了两个迈德尔（U3/MT6501，U4/MT6501）霍尔传感芯片5采集方向盘带动的永磁铁角度，单片机MCU（U2/KF8A100GQP）通过SPI接口读取两个霍尔传感芯片5角度数据，电源由LDO（U1/SA21345A）提供DC5V供电，单片机MCU对数据进行滤波运算后由数据收发电路中的收发器（U5/SIT1051T）通过CAN总线把数据发送给汽车BCM，以实现对方向盘角度和速度的实时检测。在图2中，DC12V电源从Pin12进来经过D1防反接到U1得到DC5V电压给后部提供VCC电源。两个MT6501模块分别采集两个从动齿轮6转动角度数据，通过SPI总线送到MCU。MCU获得两个MT6501模块采集数据后经过运算得到主动齿轮3转动角度数据，通过SIT1051T接口芯片转换为CAN总线数据送出给车身BCM。

本发明还提供了一种方向盘角度传感系统的测量方法，具体操作方法如下：

（1）当主动齿轮3转360度时，两个从动齿轮6转动角度的差值在不超过360度时，与主动齿轮3的转动角度是具有线性对应关系的；

（2）两个从动齿轮6的当前位置转动角度差值通过霍尔传感芯片5直接读取到的值相减而获取；具体为：假设主动齿轮3的齿数为a，第一从动齿轮6的齿数为b，第二从动齿轮6的齿数为c，当主动齿轮3转360度时，第一从动齿轮6的实际转动角度为a/b*360度，第二从动齿轮6的实际转动角度为a/c*360度，两个从动齿轮6的转动角度之差为(a/b-a/c)*360度；

（3）通过读取当前两个从动齿轮6的实际位置差值实现对主动齿轮3的实际位置进行绝对定位；

（4）单片机通过定时读取主动齿轮3和两个从动齿轮6的角度数据，根据时间变量与角度变量对应获取方向盘的角速度变化数据。

综上所述，该方向盘角度传感系统采用永磁铁来驱动霍尔传感芯片5来测量角度原始数据，通过单片机MCU读取测量数据进行运算得到最终角度和角速度数据，单片机MCU结合CAN总线通讯芯片将数据通过CAN总线向外发送给汽车BCM。本发明采用了当前比较先进的霍尔传感技术实现了角度非接触式测量，比传统接触式测量技术在磨损和寿命上得到了极大的提高，同时通过主动齿轮3和从动齿轮6的设计采用两个带齿差的齿轮，通过齿差数据又实现了角度的绝对定位技术；同时采用汽车CAN总线技术发送数据更加稳定可靠，实现了数据的高速实时传输。本发明实现了对汽车方向盘旋转角度和旋转速度进行精确测量，从而为汽车BCM提供精确实时的汽车方向盘动态转动速度和姿态数据，为汽车ABS和EPS系统提供动作依据。