基于MC9S08DZ60汽车方向盘转角传感器的开发_戴望军

第27卷第2期湖北汽车工业学院学报Vol. 27No. 2Jun. 2013

2013年6月

Journal of Hubei University of Automotive Technology

doi ：10.3969/j.issn.1008-5483.2013.02.009

基于MC9S08DZ60汽车方向盘转角

传感器的开发

戴望军1，石广林2，熊松林2，尹乐军2，姜友清2

（1. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009；2. 株洲易力达机电有限公司，湖南株洲412002）

摘要：使用非接触式位置传感器芯片MLX90360与Freescale MC9S08DZ60单片机，研制出测量精准、成本低廉，具有较高智能化的非接触式转角传感器；给出了汽车方向盘转角传感器的具体设计方案，包括传感器的机械结构、硬件电路设计以及软件程序设计；给出了转角传感器零点的设置方法及方向盘绝对转角的计算方法；最后与博世公司生产的转角传感器进行对比试验，试验结果表明，该传感器能够准确测量出汽车方向盘的转角，可以为

EPS 系统和ESP 系统提供精确的方向盘位置信号。

关键词：转角传感器；MLX90360；绝对转角；对比试验中图分类号：U463.46

文献标志码：A

文章编号：1008-5483（2013）02-0037-05

Development of Steering Wheel Angle Sensor Based on MC9S08DZ60

Dai Wangjun 1, Shi Guanglin 2, Xiong Songlin 2, Yin Lejun 2, Jiang Youqing 2

（1. School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. Zhuzhou Elite Electro Mechanical Co., Ltd, Zhuzhou 412002, China ）

Abstract:A non-contact angle sensor with measurement precision, low cost and higher intelligence was developed based on non-contact position sensor chip MLX90360and Freescale MCU MC9S08DZ60. The specific design of the steering wheel angle sensor was given ，including the sensor ’s mechanical structure, the design of hardware circuit and software program. The zero setting method of the angle sensor and calculation method of the absolute angle of the steering wheel were presented. Comparing with the angle sensor produced by Bosch, the test result shows the sensor can accurately measure the rotation angle of the steering wheel, and can provide accurate steering wheel position signal for the EPS system and the ESP system.

Key words:angle sensor; MLX90360; absolute angle; comparison test

现代汽车配置了车身电子稳定系统（Electronic

阻式、磁感应式、霍尔式和光电式等几种［3］。德国博世公司生产的转角传感器LWS5，如图1所示，利用转向柱齿轮带动2个带有磁钢的从动齿轮转动，

Stability Program ，ESP ）和电动助力转向系统

（Electronic Power Steering ，EPS ）［1-2］。ESP 系统和

EPS 系统包含一个用于监测方向盘转向角度和方

向的转角传感器。目前，转角传感器主要有滑动电

ECU 检测到2个从动齿轮的转动角度，通过软件

程序计算出转向柱齿轮的绝对转角。笔者设计的转

收稿日期：2013-04-06

基金项目：校博士专项科研资助基金项目（2010HGBZ0614）；中央高校基本科研业务费专项资金（2011HGQC1010）；中航工业创新基金

（CXY2010HFGD26，CXY2010HFGD27）

作者简介：戴望军（1987-），男，湖南怀化人，硕士，主要从事汽车电动助力转向方面的研究。

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角传感器，仅利用一个转向柱齿轮带动一个带有磁钢的从动齿轮，这样的设计使得该传感器结构更加紧凑、简单。经过软件计算，得出转向柱齿轮的绝对转角，通过单片机内部存储器EEPROM 实时存储汽车方向盘的绝对转角，使得该传感器在断电重启后能够准确的确定汽车方向盘的位置。

系统整体硬件结构如图3所示。

2

传感器的硬件设计

图3系统的整体硬件结构图

2.1MLX90360芯片简介

MLX90360是一款运用TriaxisTM （三轴）霍尔

图1博世转角传感器LWS5

技术的独立传感器芯片。传统的平面霍尔技术仅能够感应垂直于芯片表面的磁场强度，而TriaxisTM 三轴霍尔既可以感应垂直方向，也可以感应与芯片表面平行的磁场强度，配合上合适的磁路，

1

转角传感器的整体结构设计

转角传感器的整体结构如图2所示，该传感器

MLX90360能感应出旋转范围从0°~360°绝对角度

位置，利用此款芯片，可以实现新一代非接触式旋转角度位置传感器，以满足汽车和工业需求［4］。

一般安装在方向盘转向管柱上。当方向盘转动时，转向柱齿轮转动，转向柱齿轮带动从动齿轮转动。在从动齿轮中间安装有带有磁性的小磁钢，当从动齿轮转动时，中间小磁钢也随着从动齿轮转动，从而引起磁钢周围的磁场方向发生变化，磁钢正上方的MLX90360芯片能够检测到磁场的变化，并且输出与磁钢转动角度成线性关系的模拟电压，微处理器将此模拟电压信号经过A/D转换后，计算出转向柱齿轮的转动角度。

MLX90360芯片内部框图如图4所示，芯片内部集成原始信号处理模块、DSP 微处理器模块和D/A转换模块，最后通过对该芯片进行预编程处

理，使其输出一个与转角成线性关系的电压信号，其输出的电压信号与转角的关系曲线如图5所示。

图4MLX90360芯片内部框图

1

图5MLX90360芯片输出的信号与转角的曲线

2.2微处理器模块

2

3

4

1—转向柱齿轮；2—从动磁钢齿轮；3—磁钢；4—PCB 板

转角传感器选用电子控制单元为飞思卡尔公司生产的8位单片机MC9S08DZ60，它有60kB 的

图2转角传感器整体结构

第27卷第2期戴望军，等：基于MC9S08DZ60汽车方向盘转角传感器的开发

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FLASH 存储器，2kB 的EEPROM 在线可编程内存；

具有强大的系统自保护功能；支持内部和外部时钟源，拥有包括PLL 和FLL 在内的多种时钟工作方式。此外，片内还集成了丰富的外设资源：2个差分模拟比较器、24通道12位分辨率的模数转换器（ADC ）、8个PWM 通道、CAN 局域网总线、3种串口通信接口（SPI ，SCI ，IIC ）、53个通用I/O口［5］。丰富的资源为系统功能的实现提供了有力支持，特别适用于工业控制，尤其适用于汽车控制。

图8CAN 通信接口电路

2.3电源模块电路及置零电路

车载电源一般都是12V 的电源，而传感器芯片、微处理器等都需要5V 的电源，所以这里需要一个电压转换电路；置零电路与单片机的PTB2引脚相连，PTB2引脚被配置为外部中断输入。电源电路如图6所示。

3

传感器的软件设计

整个系统的软件流程如图9所示，首先读取上

一次汽车断电前存储在内部存储器EEPROM 中的方向盘绝对转角，然后读取MLX90360输出的转角信号，利用这2个值来计算从动齿轮在上次发动机熄火时所转过的圈数，防止传感器得出的角度与实际方向盘转角相差n ×240°。计算出方向盘转角以后，单片机实时存储方向盘的转角，以CAN 信号的形式发送给上位机。

图6电源电路12V 转5V

2.4转角信号调理及接口电路

信号调理电路如图7所示，该电路将传感器输

出的模拟信号进行低通滤波处理，然后接一个电压跟随器，以提高输入阻抗［6］。原始的转角信号经过滤波处理后，接入到微处理器的A/D引脚PTA0，在单片机内部将模拟信号转化为数字信号，计算出带磁钢从动齿轮的相对角度。

图9系统的整体软件流程图

3.1回正零点设置

在传感器安装在汽车方向盘转向管柱上以后，转动方向盘，使得方向盘处于回正位置，此时按下外部中断置零开关，产生外部中断，进入外部中断函数，读取当前传感器的角度值，以这个角度值做为绝对零度Angle_basic，并将其存入单片机内部

FLASH 中。这样既简化了传感器的安装，又方便校正方向盘的回正位置。流程如图10所示。

图7转角信号调理及接口电路

2.5CAN 通信接口电路

CAN 通信接口电路见图8，MC9S08DZ60内嵌CAN 控制模块，总线数据的封装可在单片机内部进行，而单片机只需外接CAN 总线收发器PCA82C250即可，CAN 模块的TXCAN 与RXCAN 分别与收发器的TXD 与RXD 相连。

图10中断置零程序

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湖北汽车工业学院学报2013年6月

3.2汽车方向盘绝对转角位置的计算

传感器芯片MLX90360输出的转角信号与汽车方向盘转角的关系如图11所示。

|Angle_1-Angle_2|的值也较大，同样设置，如果|Angle_1-Angle_2|大于180，将从动齿轮转过的圈数Flag 减1。最后根据式（1）就能准确计算出汽车方

向盘的绝对转角。软件流程图如图12所示。

图11输出电压信号与方向盘转角的关系曲线

转向柱齿轮与从动齿轮的齿数比为3∶2，从动齿轮每转360°，相应的转向柱齿轮转动240°，所以该信号是一个以240°为周期的周期信号。由于方向盘的转动范围为-720°～720°，而MLX90360能够检测到的转角范围为0°～360°，转化为转向柱的转角为0°～240°，为了能够测量整个行程的绝对角度，单片机需要准确判断从动齿轮所转过的圈数。规定顺时针转动为正、逆时针转动为负，Angle_rel为汽车方向盘的相对转角，即单片机从角度测量芯片处读取的角度值；Angle_abs为汽车方向盘的绝对转角，Flag 为从动小齿轮所转过的圈数，Flag 的初始值设置为0，则有

Angle_abs=Angle_rel+240×Flag-Angle_basic

图12绝对角度计算软件流程图

4

转角对比试验

将自行研制的传感器和博世公司的转角传感

器串在同一根旋转轴上，并将2种传感器的位置固定。将传感器连续转过一定角度时，LabVIEW 自行记录自行研制的转角传感器和博世转角传感器在各个时刻的角度值。试验仪器主要包括上位机（装有LabVIEW 程序的普通PC 机）、下位机（PXI

单片机周期性的读取芯片传送过来的转角信号，读取的周期为20ms ，前一次读取的角度值Angle_1减去下一次读取的角度值Angle_2，通过计算

|Angle_1-Angle_2|的大小来判断方向盘是否处在

电压跳变位置。从图11中可以看出，顺时针转动时，在240°角处其电压的跳变方向从4.5V 到0.5V ，此时（Angle_1-Angle_2）大于0, 且|Angle_1-Angle_2|的值较大。由于方向盘的转速有限，在20ms 时间内，其转角变化不会太大，因此设置，如果

1042Q 实时数据采集仪）、博世转角传感器、自行研制的转角传感器（图13）、合适直径的旋转轴、角

度测量仪。

上位机是主程序操作和结果输出载体；下位机为程序运行平台，接收实时转角信号。图13所示为实验所用仪器设备情况，图14所示为LabVIEW 软件设计的转角对比实验程序框图［7］，图15所示为转角对比实验软件显示界面。

用PXI 1042Q 实时数据采集仪采集自行研制的传感器在不同输入转角下的实测角度值。考虑到

|Angle_1-Angle_2|大于180，将从动齿轮转过的圈数Flag 加1。逆时针转动时其电压跳变方向从0.5V

到4.5V ，此时有（Angle_1-Angle_2）小于0，且

图13转角对比试验仪器设备图14转角对比实验程序框图图15转角对比实验软件界面

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传感器在小角度测量时的误差比测量大角度时的误差大，试验角度为0°~100°时，大致每间隔20°取一个测量点；为100°~1000°时，大致每间隔50°取一个测量点；为1000°~1400°时，大致每间隔100°取一个测量点。实际试验结果如表1所示。

表1转角对比试验

加载角度值

博世传感器测量值

自研传感器测量值

博世传自研传感器平感器平

均值均值

的中心不在同一条直线上，磁体中旋转时会影响磁场在x 、y 轴上的分量；齿轮轴芯倾斜时也会在x 、y 轴上产生分量，影响检测精度。

2）齿轮精度误差2个齿轮啮合时，由于齿轮

间的间隙存在，会引起角度的计算误差。

3）线性度误差MLX90360芯片内部虽然有

前端内部线性补偿、后端多点调校线性度补偿，但是该芯片不可能输出完全理想的线性信号，这也是引起误差的一个原因。

[***********][***********][***********][***********][1**********]

020.040.160.481.0100.2150.0199.2250.2299.2350.4400.2450.6499.7549.8600.2650.5699.5750.3800.0850.4899.4950.2999.8

020.239.960.280.8100.2149.8199.4250.1299.0350.8400.3450.4499.9549.8600.1650.7699.9750.7800.2850.6899.8950.4999.2

021.341.260.680.3102.4148.7201.5250.8298.8351.6402.5452.5500.2551.6598.6648.7701.6750.5799.2849.4901.5948.4

021.441.560.581.7101.7149.2200.7251.3299.3351.2402.6452.7500.8552.0598.5648.4701.8750.8799.4849.8901.9948.6

020.140.060.380.9100.2149.9199.3299.1350.6450.5499.8549.8650.6699.7750.5800.1850.5899.6950.3999.5

021.441.3560.5581.0102.05148.95201.2299.05351.4452.6500.5551.8

5结论

利用MLX90360转角测量芯片以及

MC9S08DZ60微处理器，设计了一种结构新颖的传

感器；给出了传感器的绝对转角的计算方法，并且实时存储汽车方向盘的转角，防止汽车方向盘位置信息的丢失；最后还做了对比试验，验证该转角传感器的精确性、稳定性等特性，并分析了误差来源，试验证明，该传感器能够满足汽车EPS 系统、ESP 系统的成本低、结构简单、可靠性高以及精度合理等要求。

250.15251.05

400.25402.55

600.15598.55

648.55701.7750.65799.3849.6901.7948.51002.6

参考文献：

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电机控制系统设计［J ］. 仪表技术，2011（11）：4-6. ［6］董传岱. 电工学［M ］. 北京：机械工业出版社，2007：59-

1002.51002.7

1100.21100.31101.21101.01100.21101.11200.31200.81203.41203.61200.51203.51300.91301.21303.51303.31301.01303.41400.51400.81404.11404.31400.61404.2

60.

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［8］李浩，徐衍亮. 电动汽车方向盘绝对角位置传感器的研

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从表1中数据可以看出，自制的转角传感器稳定性比较好，其测量值与加载值及博世传感器测量的角度值最大相差4.2°，可能有3个方面的原因：

1）装配误差MLX90360芯片的中心和磁钢