转向力矩传感器 简述电动转向系统扭矩转角传感器
简述电动转向系统扭矩转角传感器
一般来说，电动助力转向系统的基本策略如下图，可见其所有基本控制模块，输入要么需要方向盘力矩信号，要么需要方向盘转角信号（方向盘转速通过转角信号计算得到），这两个信号一般来说是通过一个扭矩转角传感器TAS（Torque and Angle Sensor）来获取。本文浅尝辄止地讲一讲目前EPS系统中用到的主流扭矩转角传感器。
TAS的扭矩检测功能，其本质上还是一个转角传感器，TAS与扭杆组装在一起构成扭矩传感器总成，方向盘转动时，扭杆与扭矩传感器的上半部分与下半部分存在一个相对偏转角，TAS就是通过检测这个相对转角来测量方向盘力矩的。
在实际的应用中，还有TIS（Torque+Index Sensor）和TOS（Torque Only Sensor）两种，TIS只能提供扭矩信号和绝对转角的过零信号脉冲，系统可以结合电机角度来得到方向盘角度；TOS只能提供扭矩信号。
TAS发展至今，大抵经过了接触式传感器和非接触式传感器两个阶段，接触式传感器由于传感元件之间一直存在滑动摩擦，因此在使用过程中容易受到磨损老化，出现测量信号不准确甚至报错的情况。这种类型的传感器已经逐渐被淘汰。
TAS大抵可以分为如下几类，下文将分别述之。
（1） 接触式电位器扭矩转角传感器
接触式传感器主要代表有日系早期的扭矩传感器和BI公司的第一代扭矩转角传感器。其感知元件均采用高精度电位器，当扭杆发生形变转过一定角度时，机械结构巧妙地带动电位器同步旋转相应的角度，从而引起电位器的电阻发生变化，达到测量角度的目的。
（2） 旋变式非接触式TAS
旋变式的非接触式TAS在日本的EPS供应商中应用比较多一些，其基本原理为定子线圈上提供一个正弦的励磁电流，在气隙中空间形成一个正弦分布的旋转磁场，转子线圈感应该磁场得到一个与励磁同频率但不同赋值和不同相位的正弦电压信号，通过解析该感应电动势可以得子转子线圈的位置，从而得到测量扭杆偏转角。
（3） 霍尔式非接触式扭矩传感器
这一类的TAS是目前市场上用得最多的，市场占有量最大的厂家分别是海拉、法雷奥和博世。三家的传感器虽然都是应用的霍尔效应，但在其信号产生机理和应用上却有本质的区别。
首先让我们来看看什么是霍尔效应？
在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，由于N型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场 ，相应的电势称为霍尔电势 。
通过以上的定义，显然如果要利用霍尔效应产生电势，需要以下几个条件：
磁场（可以是永磁体生磁，也可以是电生磁）
半导体薄片（芯片厂搞定）
半导体薄片上通过一个电流
其结果为：
在半导体薄片上与磁场和电流平面垂直的方向产生一个电势，该电势大小与磁场方向及电流大小有关。
3.1 BOSCH的TOS/TIS方案
传感器由MU（永磁体单元）、FTU（磁场传导单元）和SU（传感单元三部分组成）。
其信号输出类型有模拟量、PWM和PAS4协议、PSI5协议几种类型。MU的磁性非常大，而为了获得准确的扭矩精度，对MU、FTU以及SU之间的装配间隔的要求也相当高，给小总成的安装工艺带来的问题比较多。
3.2 Valeo的TAS方案
Valeo的传感器也是使用永磁体励磁，但是只有永磁体和传感单元两个单元。跟Bosch的传感器相比较，我们可以理解成valeo把FTU和SU做了集成化。
永磁体励磁的TAS扭矩检测原理如下图所示：
（1）永磁体在圆周上均匀分步n对磁场N－S极（一般为8对），磁场在气隙内呈均匀正弦分步
（2）当永磁体和磁场传导单元发生相对角位移时，磁场传导单元所在位置的空间磁场发生相应变化
（3）Hall芯片感应磁场传导单元所在位置的磁场，并将其转换成电压信号
为了检测绝对转角信号，valeo的ASU方案中在跟输入轴上先增加了一个大的齿轮，然后又安装了两个速比不一样的AS齿轮和RS齿轮（下图标注有BUG，请读者自行找茬），其中AS齿轮与大齿轮的速比为360:144，RS齿轮与大齿轮的速比为360:2448.在该齿轮上安装有两个另外的永磁体，各有一片Hall芯片（无磁场传导单元）来采集AS和RS的信号。
其信号特征见下：
3.3 Hella的TAS方案
Hella TAS传感器方案最大的创新在于：
完全抛弃永磁体，通过在PCB上的印制线路形成电感线圈，在线圈两端施加电压以后即在空中形成hall效应所需要的磁场
为了测量绝对角度，跟Valeo的方案比，只增加了一组齿轮
其检测的机理为，两个转子分别检测40°信号（以40°为周期）和20°信号（以20°为周期），每一个转子实际上有三组相位互差120°的线圈，三组线圈同时接入感知芯片中。
减速齿轮与valeo的方案相似，输出PWM信号，PWM 【min max】对应转角【-738° 738°】。
上图为Hella传感器SENT版本的信号框图，两路通过SENT协议发送给ECU的信号是20°传感器和40°传感器所感测到的绝对转角信号，还需要在ECU内部通过一定的算法将两个绝对转角信号做同步处理及冗余校验后相减才能得到相对转角信号-即扭杆偏转角。
同时，Hella提供的传感器扭矩信号还有PWM版本，即把同步处理和冗余校验的工作放在传感器内部完成了，无需ECU来做此工作。
通过上图IC300得到的转角分辨率非常低，因此这个角度一般来说只用来：
计算初始角度
冗余校验
在其它两路信号失效的情况下提供一个DEGRADED ANGLE。
获得初始角度以后，一般来说都是用40°转子所提供的信号来求解分辨率更高的方向盘角度信号。
（4） 其它类型的传感器，譬如光耦、巨磁等，要么已经退出历史舞台，要么属于极其小众型的传感器，在此不再赘述。
作者：JACK
电子电器好课(点击标题查看）
《整车网络和ECU诊断实例讲解》
一线 提车不足24小时方向盘“抱死”，特斯拉遭“转向机之痛”？
文：懂车帝原创 李承恩
[懂车帝原创 行业] “根本掰不动，完全没反应”——刚提车不到24小时，一位特斯拉Model 3车主张俊驰就经历了方向盘突然“抱死”。对此，特斯拉工作人员对其回复称“可以换，也可以退”，经不起折腾的张俊驰坚定地选择了“退车”。
特斯拉Model 3方向盘出现“抱死”，当天晚上被拖车拖走了
然而，据车主回顾，当时自己和特斯拉签的是“回购协议”，相当于官方把车买回去，“可能会更换个转向机，变成官方二手车，再次流入市场。”
查看懂车帝车友圈可以看到，不仅是多位Model 3车主，不少Model Y车主也出现过类似的情况。而且，不只是在国内，就在8月，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）决定对2023款Model 3和Model Y展开调查，共计28万辆，原因正是这些车型可能存在“转向系统故障”情况。
美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）对2023款Model 3和Model Y展开调查
不少车主也感到疑惑：到底是什么原因导致特斯拉方向盘突然“抱死”？遇到这些问题，应该如何维护自己的权益？
转向机频发故障，并非个例
去年6月4日，张俊驰提了一辆2022款后轮驱动版Model 3，开票价超25万元。6月5日晚上，距离提车还不到24小时，车辆便出现了转向助力失效的情况。据车主回忆表示，“当时正在停车场泊车入位，刚挂上倒挡的瞬间，转向助力突然没了，方向盘根本转不动，车辆仪表屏幕提示只有‘转向辅助效果下降’。”
2022款后轮驱动版Model 3提车不到24小时，转向助力突然失效
为了拿去送检报修，当天晚上车子就被拖车拖走了。回想起自己的经历，张俊驰还是很后怕，“车辆静止状态就还好，如果是在行驶中转向助力失效，后果就很严重了。”
目前还不清楚国内与北美的故障是否为同一类型，但故障情况类似，有业内人士猜测认为，可能是零部件质量问题或者车辆设计问题。
“回想起自己的经历还是很后怕”
Model 3方向盘“抱死”后被拖车拖走
无独有偶，张俊驰表示，自己在买这辆Model 3之前，2022年3月，自己还曾购入一辆Model Y，同年8月份，也遇到了类似的问题：当时也是正在停车，原地刚挂上倒挡，方向盘就开始“疯狂的抖动”，声音非常大，坐在第二排的家人也明显感觉到车辆不对劲，张俊驰称，“当时车辆并没有报警，我赶紧换到停车档（P档），车辆就不抖了。”
Model Y正在停车时，原地刚挂上倒挡，方向盘就开始“疯狂的抖动”
然而，将这辆Model Y送到店里报修后，特斯拉工作人员却称，“后台没有查出异常”，但也听说过类似案例，这种剧烈抖动是极少数的情况。经过工作人员多次检测，通过泊车入位、低速行驶中打方向等模拟操作，但均未发现异常。张俊驰认为，“不出事儿都好说，要是有问题就是一瞬间的事儿。”
该车主通过打听了解到，有其他车主也遭遇过同样的情况，特斯拉给出的解决方式是“更换转向机”。据了解，更换一个转向机总成将近2万元（19000多元），不含人工费用 。如果不在三包期内出现这类情况，这笔额外的开销就需要车主自己来承担。
另外，也有车主表示，自己的Model Y行驶了1个月，转向机坏了，特斯拉方面对其表示，“退车的话也可以全价退，如果车上有贴膜或隔热膜，以及无法消除的装饰物，需要找法院开具第三方调解书，如果法院能出，就可以退款。”
图源：车质网（有关特斯拉转向机故障问题频现）
通过查询汽车投诉网站以及车友圈，懂车帝了解发现，这一现象并非个例。
懂车帝车友圈一位Model Y车主刘平松反映，8月29日提的车，行驶里程仅1700多公里，不到一个月时间，自己驾驶车辆从停车场驶出时，突然出现了方向盘“抱死”的情况。对此，特斯拉工作人员向车主回复称，“有个模块坏了，需要更换方向机”。不过，车主并不满意这一做法，要求特斯拉退款做出赔偿。
截至发稿前，双方仍在沟通中，特斯拉方面尚未对车主作出进一步回复。刘平松表示，“如果能退车，以后也不会考虑回购特斯拉了。”
律师：消费者有权要求退车，厂家应承担保险损失
对于普通驾驶员来讲，出现上述情况当下应该如何处理？对于提车时间不长的车主，可以通过哪些方法进行维权？
对此，懂车帝从专家律师处了解到，根据《家用汽车产品修理、更换、退货责任规定》第二十三条规定：家用汽车产品自三包有效期起算之日起60日内 或者行驶里程3000公里之内 （以先到者为准），因质量问题出现转向系统失效制动系统失效 、车身开裂、燃油泄漏或者动力蓄电池起火的，消费者可以凭购车发票、三包凭证选择更换家用汽车产品或者退货。销售者应当免费更换或者退货 。
北京国标律师事务所姚克枫律师向懂车帝表示，“转向助力失效有可能会造成重大的交通事故，尤其是在车流量大的情况下，属于是严重的质量问题。如在上述期间内，消费者购买的车辆出现转向助力失效等问题，销售者应当为其免费更换或者是为消费者办理退车退费 。”
方向盘出现“抱死”后，车内屏幕提示“转向辅助效果下降”（图源：懂车帝车友圈）
值得注意的是，今年4月，国内曾有多家媒体曝出广州一Model 3车主也遇到了方向盘突然“抱死”的情况，还惊到了车上的孕妇。特斯拉方面表示“是组件控制器故障所致，可退车”，但同时也表示“无法补偿保险等费用”。
对此，姚克枫律师向懂车帝表示，“如消费者在行车过程中，因转向助力失效问题导致产生了财产损失甚至是人身损失，商家应当承担损害赔偿责任。如特斯拉仅‘只退车不赔偿’是不合理的，因其车辆质量问题导致消费者产生的保险损失、贴膜损失等财产损害，消费者有权要求特斯拉承担这部分损失。”
上述论据来源：根据我国《中华人民共和国消费者权益保护法》第十一条规定，消费者因购买、使用商品或者接受服务受到人身、财产损害的，享有依法获得赔偿的权利。
第四十条规定，消费者在购买、使用商品时，其合法权益受到损害的，可以向销售者要求赔偿。销售者赔偿后，属于生产者的责任或者属于向销售者提供商品的其他销售者的责任的，销售者有权向生产者或者其他销售者追偿 。
消费者或者其他受害人因商品缺陷造成人身、财产损害的，可以向销售者要求赔偿，也可以向生产者要求赔偿。属于生产者责任的，销售者赔偿后，有权向生产者追偿。属于销售者责任的，生产者赔偿后，有权向销售者追偿。
消费者在接受服务时，其合法权益受到损害的，可以向服务者要求赔偿。
一位Model 3车主提车不到3个月就出现了故障（图源：懂车帝车友圈）
对于车主如果遇到方向盘“抱死”问题，应当如何维护自身权益？
北京市中闻律师事务所律师陈貌文律师建议称，“首先要做好记录，这是证据（包括购车合同、维修单据、售后检测报告等，以便在解决纠纷时能够提供充分的证据支持）；其次要尽快联系购买的4S店，不拖延时间；最后根据汽车三包法，汽车出现质量问题，应对汽车进行修理、更换或者退车退款。”如果特斯拉拒绝退车或拖延处理，车主可以考虑寻求法律途径，通过法院起诉来维护自己的合法权益。
方向盘“抱死”：立刻就地靠边停车
从安全的角度来说，转向机直接影响车主们的驾驶安全。清华大学车辆与运载学院教授、博士生导师、汽车安全与节能国家重点实验室副主任宋健表示，“在倒车时遇到方向盘‘抱死’，说明厂家没有认真完成低速时候的EPS（电动助力转向）系统标定，在高速情况下的标定再做不好，直接影响安全性。”
那么，行驶中方向盘突然“抱死”，是什么问题所导致的？据了解，车辆行驶过程中，发现打方向无助力，或感到很沉重，可能是电动助力转向不工作了。
结合资料来看，电动助力转向系统（EPS）是一种直接依靠电机提供摊铺扭矩的动力转向系统。其作用是保证驾驶员可以灵活控制汽车的行驶方向，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，同时方向助力系统也保证了汽车行驶的安全性和经济性。汽车的转向系统是在人力的作用下，控制汽车的转向盘和转向轮实现的。
方向盘“抱死”应该如何处理？
据业内专家表示，“当汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。根据车速不同，提供电动机不同的助力效果，以保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时稳定可靠。而电动助力转向不工作，一般呈现的故障现象是车辆行驶过程中打方向无助力、沉重，仪表上会有报警灯亮起。”
据了解，电动助力转向不工作的可能原因有：控制系统线束插接件接触不良，转向力矩传感器损坏，方向机损坏，EPS控制单元故障，轮速传感器故障，比如各种传感器插接头松动，减速器损坏，通讯故障等等。
“对于普通驾驶员来讲，遇到无法转动方向盘的情况，在保证安全的情况下，须立刻就地靠边停车，否则很容易出现安全事故。”一位业内专家提醒表示。
（注：文中人物张俊驰、刘平松均为化名）
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