EPS系统传感器角度信号静态标定及算法解析

Analysis of Static Calibration and Algorithm for Sensor Angle

Signal in EPS

EPS 系统传感器角度信号静态标定及算法解析

DOI:10.19466/.1674

-

1986.2021.05.003

EPS系统传感器角度信号静态标定及算法解析

宋昌平

1

,侯训波

2

,刘晓文

3

,毕名辉

4

,邵阳

4

(1.大连职业技术学院,辽宁大连

116037;2.大连创新零部件制造公司,辽宁大连116620;

3.河北中兴汽车制造有限公司,河北保定

071000;4.辽宁曙光汽车集团股份有限公司,辽宁丹东118000)

摘要:角度传感器作为EPS系统核心部件,其原始信号特性曲线的相对角位置关系是不规律的,也无统一基准,无法被ECU

处理和应用,因此必须进行标定。针对传感器角度信号开展研究

,分析基本工作原理和信号特性,归纳出3个关键信号特征点,

满足其中一个特征点时,其信号即为可用的。据此,提出4种静态标定方式及算法,详细描述了标定过程及原理,同时给出对应

的补偿算法,并比较了4种标定方式及算法的优劣情况,供EPS系统工程师应用参考。

关键词:EPS系统;角度传感器;角度信号;静态标定;补偿算法;游标可信度

中图分类号:U463.4

AnalysisofStaticCalibrationandAlgorithmforSensorAngleSignalinEPS

curve,andthereisnounifiedbenchmark,soitcannotbeprocessedandappliedbyECU,lesignalofthe

Abstract:As

thecorecomponentofEPSsystem,anglesensorhasirregularrelativeanglepositionrelationoforiginalsignalcharacteristic

SONGChangping

1

,HOUXunbo

2

,LIUXiaowen

3

,BIMinghui

4

,SHAOYang

4

(VocationalTechnicalCollege,DalianLiaoning116037,China;

InnovationPartsManufacturingCompany,DalianLiaoning116620,China;

ZhongxingAutomobileCo.,Ltd.,BaodingHebei071000,China;

ng

SGAutomotiveGroupCo.,Ltd.,DandongLiaoning118000,China)

sensorwasstudied,thebasicworkingprincipleandsignalcharacteristicswereanalyzed,andthreekeysignalfeaturepointsweresummarized.

proposed,thecalibrationprocessandprincipleweredescribedindetail,andthecorrespondingcompensationalgorithmswerealsogiven,and

theadvantagesanddisadvantagesofthefourcalibrationpatternsandalgorithmswerecomparedforthereferenceofEPSsystemengineers.

When

oneofthefeaturepointswasmet,nthis,fourstaticcalibrationpatternsandalgorithmswere

Vernier

reserve

Keywords:Electric

powersteeringsystem(EPS);Anglesensor;Anglesignal;Staticcalibration;Compensationalgorithm;

0　引言

现代汽车配装电动助力转向系统(EPS系统)已非

常普及。角度传感器作为EPS系统的核心部件之一,直

接影响系统性能,其角度信号对于实现主动回正等功能

又是必不可少的

[1]

,甚至高端车辆的线控转向系统采用

-

了双转角传感器

[23]

,可见其重要程度。此外ESP等底

盘电控系统也需要与EPS共享角度信号,来完成各自控

制功能,从而实现底盘一体化控制

[4]

。目前,EPS系统

传感器较多地采用了非接触式,其输出角度信号也采用

了占空比PWM形式,它具有较强的抗干扰能力,被广

泛应用。为使角度传感器能准确且可靠地被EPS系统应

用,来测量方向盘转角,需对其角度信号进行标定,该

标定是指EPS系统生产厂家针对传感器本身进行的,也

是文中的研究对象。它既不同于传感器厂商对其灵敏

收稿日期:2021

-

01

-

11

度、线性度、迟滞性等参数标定

[5]

,也不同于EPS系统

在整车上的零位角度标定

[6]

。通常传感器角度信号标定

分为静态标定和动态标定,其中动态标定能较好地消除

系统匹配误差,但标定过程较复杂、效率较低,而静态

标定是生产厂家通常采用的方法,效率较高,也能满足

大部分EPS系统所应用场合的误差要求。鉴于此,本文

作者针对Hella传感器的静态角度信号,开展了相关标

定方式及算法的分析和研究,供EPS系统工程师应用

参考。

1　传感器工作原理和角度信号特性

文中研究的EPS系统传感器为Hella非接触交变电

磁感应式的扭矩转角传感器,如图1所示,它除了能输

出扭矩主信号T

1

和副信号T

2

,还能输出与角度相关的

作者简介:宋昌平(1963—),男,硕士,教授,研究方向为数控技术。E-mail:scp@。

通信作者:侯训波(1967—),男,学士,正高级工程师,研究方向为汽车转向技术。E-mail:houxunbo@。

Automobile Parts

2021.05

013

Research & Development

主信号P和副信号S,均为PWM占空比形式的信号,这

些信号是经过传感器内置IC计算处理后成为可用的信

号,再传输到EPS系统控制器(ECU),参与系统工作。

其中PWM_P

y

/S

y

/T

扭矩主信号

1y

/T

号/角度副信号/

2y

是未经标定处理前的角度主信

/扭矩副信号,也是传感器

的原始信号,在EPS系统工作时,传感器内置IC直接

采样也是这些原始信号。

图1　传感器工作原理简图

上述未标定前的原始信号,是在传感器初始化后即

可产生的PWM信号,其中与角度相关的PWM_P

y

信号

为40°一个循环,共37个周期,PWM_S

y

信号为296°一

个循环,共5个周期,综合角度范围为1

PWM_P

信号每个循环的有效PWM

480

数值范围

°,且

y

和PWM_S

y

均为12.5%

~87.5%

[7]

。

如图2所示的传感器各信号特性,是在EPS系统中

处于自由静态未标定前的状态。

图2　未标定前的原始角度信号特性示意

当前静态位置时的PWM_P

y

和PWM_S

y

信号点定义

为静态标定初始点P

PWM_S

将被IC采样获得

y0

和S

y0

,其信号值为PWM_P

。其中S

y0

和

y0

,

y0

点所在PWM_S

y

特性区段的PWM_S

S

(PWM_S

y

=

12.5%、50%二个特征点,定义为

y1y1

=

12.5%)、S

y2

(PWM_

S

y2

=

50%);P

y0

点

2021.05

Automobile Parts

014

所在PWM_P

y

特性区段的PWM_P

y

12.

义为

5%

P

点定义为

_

PS

P

=

12.5%特征点,定

y1

(PWM

y1

=

12.5%);当前静态位置时PWM

=

1

;S

y1

点所对应PWM_P

y

特性区段定

义为PA区段,PA区段中PWM_P

P

y

为P

=

12.5%特征点定义

y1A

(PWM_

y1A

角度位置所对应PWM

=

12.

_P

5%),在PA区段中与S

y1

点同

PWM_P

y

特征点定义为P

y3A

(其值为

y3A

);S

y2

点所对应PWM_P

y

特性区段定义为PB

区段,PB区段中PWM_P

y

定义为

50%),

P

在PB区段

P

=

12.5%、50%两个特征点,

y1B

(PWM_

中

y1B

与

=

12.

S

5%)、P

y2B

(PWM_P

y2B

=

PWM_P

y2

点同角度位置所对应

y

特征点定义为P

y3B

(其值为PWM_P

y3B

);P

y1

点

所对应PWM_S

y

特性区段定义为SA区段,在SA区段中

与P

(其值为

y1

点同角度位置所对应PWM_S

PWM_S

y

特征点定义为S

y3A

y3A

)。

如图2所示,在任何一段1

分0~1

PWM_P

480°角

_

度

S

刻度,则任意

480

角

°角度范围内

度点均存在

,

唯

若划

一

y

和PWM

_P

y

信号组合与其对应,即可表示为θ

=

f(PWM

y

,PWM_S

y

),若超出了1

现重复信号组合。

480°范围后则会出

2　角度信号标定

上述传感器原始角度信号PWM_P

y

和PWM_S

y

的组

合,尽管可以在1

不同传感器被EPS

480

系统装配后的

°角度范围内一一对应角度点

PWM_P

,但

y

和PWM_S

y

特

性曲线

,其相对角位置关系是随机被固定的,没有统一

基准,此时的原始角度信号若直接输出,则是不可用

的,也无法被ECU识别并计算角度,因此需要对装配后

的传感器原始角度信号进行标定。标定后,由传感器内

置IC建立虚拟的PWM_P和PWM_S信号与原始角度信

号对应,使其具备统一的特性曲线相对角位置关系,标

定后传感器输出信号则为新构建的有统一基准的

PWM_P和PWM_S信号,是可用的角度信号,其目标特

性曲线如图3所示,此时ECU通过适当的算法就能对角

度进行识别了。

图3　标定后输出角度信号的目标特性曲线

如图3所示,标定后输出角度信号的目标特性曲线

具有3个明显的特征点,分别为PWM_P

=

PWM_S

12.5%重合点,PWM_P

=

PWM_S

=

50%重合点

=

PWM

_P

=

PWM_S

=

87.5%重合点,且此3个特征点是同

,

时存在的,其中任一特征点均可作为基准点。因此,只

要对原始角度信号PWM_P

y

和PWM_S

y

特性曲线,由外

置设备计算出平移调整的角度值,使其中一个特征点满

足要求,再以PWM差值形式存储到传感器内置IC中,

该过程即为角度信号标定。根据PWM_P

y

和/或PWM_S

y

特性曲线的角位置平移,以及重合点位置,则角度信号

的标定方式有多种,其中较容易实现的有9种,如表1

所示。

表1　角度信号的标定方式

信号平移方式重合点标定方式

P

自由静态位置PWM

=

12.5%标定方式1

y

信号和S

y

信号同时移动

自由静态位置PWM

=

50.0%标定方式2

自由静态位置PWM

=

87.5%标定方式3

固定S

当前段PWM_S

y

信号

y

当前段PWM_S

=

12.5%

标定方式

移动P

y

y

信号

当前段PWM_S

=

50.0%

标定方式

4

y

=

87.5%

标定方式

5

6

固定P

y

信号

当前段PWM_P

y

当前段

PWM

_

P

=

12.5

%

标定方式

移动S

y

y

信号

当前段PWM_P

=

50.0%

标定方式

7

y

=

87.5%

标定方式

8

9

3　典型标定方式的补偿算法

标定之后,传感器内置IC每次采样PWM_P

y

和

PWM_S

y

时,用所得PWM差值按相应的数学表达式对其

进行补偿,该表达式称为补偿算法,它将在EPS系统工

作中,由传感器IC实时运算处理。根据表1所列的标定

方式,所对应补偿算法也各不相同,其中典型标定方式

1、4、5、7的补偿算法解析如下。

3.1　P

y

和S

y

双移至PWM12.5%重合标定———标定方

式1

该标定代号为方式1,其基本原理如图2所示,是

将PWM_P

y

和PWM_S

y

的特性曲线同时向右平移,使

4

P

y

所示新的虚拟特

1

点和S

y1

点同时与PS

性曲线

1

点重合,即可由IC建立如图

分)。

PWM_P和PWM_S(虚线部

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EPS 系统传感器角度信号静态标定及算法解析

Signal in EPS

图4　P

y

和S

y

双移至PWM12.5%重合标定特性曲线示意

如图4所示,PWM_P

y

特性曲线向右平移角度为θ

p

时,可使P

y1

点与PS

ΔPWM

1

点重合,引起当前静态位置PWM

下降并产生差值为_P;PWM_S

y

特性曲线向右平

移角度为θ

s

时,可使S

y1

点与PS

下降并产生差值为Δ

1

点重合,引起当前静

态位置PWMPWM_S。

根据当前静态位置时的IC采样值:PWM_P

PWM_S

y0

和

y0

,由外置设备可计算出PWM_P

y

和PWM_S

y

向

右平移调整的角度

ΔPWM

θ

p

和θ

s

值及PWM差值ΔPWM_P

平移角度

_S如下。

和

θ



θ

=

40°

×

(

p

PWM

和θ

_

s

P

表达式

12.

:

θ

py0

-

5%)/75%

)

s

对应

=

296

θ

°

×

(PWM_S

y0

-

12.5%)/75%

(1



Δ

p

和

Δ

PWM

PWM

_

_

P

θ

S

=

=

s

PWM

PWM

的PWM

_

_

S

P

差值表达式:

y0

-

12.5%

(2)

s0

根据上述所得ΔPWM

-

_

12.

P和

5%

ΔPWM_S

,被IC存储后,

再由IC按以下算法对原始角度信号采样值进行补偿,即

可获得新构建的输出信号PWM_P和PWM_S。

新构建PWM_P信号的补偿算法:





当PWM_P

y



-

ΔPWM_P⩾12.5%时,



则PWM_P

=

PWM_P

y

-



当PWM_P

ΔPWM_P

(3)



y



则PWM_P

=

-

PWM

ΔPWM

_P

_P<12.5%时,

y

新构建PWM_S信号的补偿算法

-

ΔPWM_P

:

+

75%





当PWM_S

y



-

ΔPWM_S⩾12.5%时,



则PWM_S

=

PWM_S

y

当PWM_S

-



ΔPWM_S

(4)



y



则PWM_S

=

-

PWM

ΔPWM

_S

_S<12.5%时

y

-

ΔPWM_S

+

,

75%

3.2　

该标定代号为方式

单移P

y

至PWM_S

y

4

12.

,

5

如图

%重合标定

2所示,

——

此标定方式是

—标定方式4

Automobile Parts

2021.05

015

Research & Development

在PWM_S

y

特性曲线位置不变的情况下,仅将PWM_P

y

特

性曲线向右平移,使P

y1A

点与S

y1

点重合,即可由IC建立

如图5所示新的虚拟特性曲线PWM_P(虚线部分)。

图5　单移P

y

至PWM_S

y

12.5%重合标定特性曲线示意

Δθ

如图5所示,PWM_P

y

特性曲线向右平移角度为

p

时,可使P

y1A

点与S

P

y1

点重合,在平移过程中会引起

y3A

点逐渐下移,最后与S

y1

点重合,使PWM下降所产

生的差值为ΔPWM_P

=

PWM_P

y3A

θ

θ

-

PWM_

P

y1A

。

设Δ

(1)相同;

ps

=

参见图

θ

s

-

θ

p

,其中θ

2和图5

p

和

,Δθ

s

的含义和计算方法与式

ps

代表了点S

y1

和点P

y1

之间的角度差,它具有正负号,由此可计算PA区段中

P

y1A

点距



K

=

P

0

y1

点的整段倍数

/

K

40

p

,

°,

其逻辑算法为

0)

　　Δθ

:

K

pps

<0°

(5

p

平移角度

=

ROUNDUP(Δθ

ps

Δθ

)

ps

⩾0°

Δθ

Δθ

p

表达式:

p

=

40°

×

K

p

+

θ

p

(6)

ΔPWM_

θ

-

θ

s

对应Δ

P

p

的

=

75

PWM

%

×

Δ

差值表达式

θ

:

p

/40°(7)

新构建PWM_P信号的补偿算法与式(3)相同,新

构建PWM

_S信号的补偿算法为:

PWM_S

=

PWM_S

y

(8)

3.3　

该标定代号为方式

单移P

y

至PWM_S

y

5,

50

如图

%重合标定

2所示,

——

此标定方式是

—标定方式5

在PWM_S

y

特性曲线位置不变的情况下,仅将PWM_P

y

特性曲线向右或向左平移,使P

y2B

点与S

y2

点重合,即

可由IC建立如图6所示新的虚拟特性曲线PWM_P(虚

线部分)。

如图6所示,PWM_P

y

特性曲线向右或向左平移角

度为Δθ

p

时,可使P

y2B

点与S

y2

点重合,在平移过程中

会引起P

y3B

点逐渐下移或上升,最后与S

PWM_P

PWM_P

y2

点重合,使

PWM下降或上升所产生的差值为Δ

=

PWM_P

y3B

-

y2B

。

2021.05

Automobile Parts

016

图6　单移P

y

至PWM_S

y

50%重合标定特性曲线示意

设θ

ps

相同;参见图

=

θ

s

+

2

θ

p

,其中θ

p

的含义和计算方法与式(1)

和图6,θ

s

代表了S

y0

点指向S

y2

点的角

度值,它具有方向性,也有正负号,其表达式为:

θ

s

=

296

,再参见图

°

×

(50%

-

PWM

2和图

_S

y0

)/75%(9)

据此6,θ

ps

则代表了P

y1

点指向

S

y2

点的角度值,它具有方向性,也具有正负号(向右

为正,向左为负),由此可计算PB区段中P

y1B

点距P

y1

点的整段倍数K

p

,K

p

同样具有方向性和正负号,其逻辑

算法如下:



K

p

K

=

1　　　　　　　　　

θ

ps

p

θ

=

0°

10)

ps

平移角度

=

TROUNUP

0

)

Δθ

≠0°

(

Δ

Δ

θ

p

表达式

(θ

ps

/40°,

:



p

θ

=

θ

ps

-

(40°

×

K

P

+

20°)　θ

ps

<0°

p

对应

=

Δ

θ

ps

θ

-

(40°

×

K

P

-

20°)　θ

ps

⩾0°

(11)

p

的PWM差值表达式与式(7)相同。

新构建PWM

_S信号的补偿算法与式(8)相同,新

构建PWM_P信号的补偿算法为:





当PWM_P

y



-

ΔPWM_P<12.5%时



则PWM_P

=

PWM_P

,

y



当12.5%

本文标签： 标定 信号 角度 传感器 系统