轉向扭力角度感測器開發 - artc目前市面上應用於eps 系統之扭力角度...
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科研成果
壹、轉向扭力角度感測器主要應用說明
轉向扭力角度感測器為 EPS 系統以及
ADAS 之關鍵且必要的感測元件。EPS 系統
主要功能為提供轉向輔助力矩協助駕駛進行
轉向動作，以降低駕駛者操作方向盤所需的
轉向力矩，EPS 系統基本組成為電動馬達、
減速機構、扭力角度感測器、電子控制單元
(Electronic Control Unit, ECU) 等主要元件
( 圖 1)。扭力角度感測器偵測駕駛者轉向操作
車輛中心 研究發展處 徐錦衍
因為車輛電子技術的蓬勃發展與電子元件可靠度提升，加上車輛節能訴求，以電動馬達提供
轉向助力之電動輔助轉向系統 (Electric Power Steering System, EPS) 已大幅取代原有液壓輔
助轉向系統，採用EPS系統後，引擎不再需要帶動泵浦運轉來建立轉向液壓，其可降低引擎負載，
進而改善油耗，也因為 EPS 具備可控制之電動馬達，因此可實現主動轉向控制型式之先進駕駛
輔助系統 (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)，而其中欲實現 EPS 與主動轉向控
制型式之 ADAS 則需要一關鍵感測器來偵測駕駛者操作方向盤之資訊，本文將就此關鍵感測器 -
轉向扭力角度感測器進行深入探討，並介紹車輛中心 ( 簡稱 ARTC) 相關研發成果。
▲圖 1：EPS 基本組成元件 ▲圖 2：側向控制之先進駕駛輔助系統架構
轉向扭力角度感測器開發
力矩與方向盤轉角資訊，電子控制單元依據車
速與偵測到的駕駛者扭矩決定馬達輔助力矩，
再透過減速機構放大力矩值，以輔助駕駛者進
行轉向之動作，另透過轉向角度資訊來適當調
整轉向輔助力矩，藉以提升轉向操作之手感。
ADAS 主要可區分成側向與縱向控制兩
種類型，其主要功能為協助或輔助駕駛者進行
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車輛操控，以降低碰撞或傷害等風險，其中側
向控制類型是透過轉向系統來實現先進駕駛輔
助之功能，而駕駛者操控方向盤之狀態為一必
要資訊，而可量測此資訊之扭力角度感測器則
為必要之元件。側向控制之先進駕駛輔助系統
多是建置在 EPS 系統之基礎架構之上，並加
入智慧控制邏輯以實現主動安全功能 ( 圖 2)，
其基本運作原理為上層 ADAS ECU 依操作情
境需求，透過車輛網路匯流排 (CAN Bus) 下
達控制命令使 EPS 系統執行相對應之動作，
此時轉矩與轉角資訊為 ADAS ECU 之迴授
控制參考資訊。此類常見系統包含車道維持
系統 (Lane Keeping Assist System, LKAS)
與自動停車輔助系統 (Automatic Parking
Assistant System, APA) 等。
貳、扭力與轉角感測原理與量測方法
扭力量測方法是透過感測器量測駕駛者施
加於轉向軸上之扭力所造成的扭轉形變量，再
依材料剛性 (k) 與扭轉形變量 (θ) 來推估施加
扭矩值 (τ= k*θ)，考量到轉向系統實務應用
面，扭轉軸 ( 又稱扭力桿 ) 會透過縮小直徑尺
▲圖 4：多圈絕對轉角感測設計原理 資料來源：Bosch
▲圖 3：扭力感測原理與量測方法
寸與採用較小扭轉剛性之機構設計方式，藉以
使扭力桿兩側可產生較大扭轉角度變形量，而
扭力感測器則量測扭力桿兩側之角度差值藉以
得到扭矩值 ( 圖 3)。
轉角感測方式是直接量測轉向軸之旋轉角
度 ( 圖 4 中 ψ)，考量到角度解析度之需求，
通常是採用兩組不同相位週期之感測訊號 ( 圖
4 中之 θ 與 ψ) 進行設計，透過兩組訊號在
設定之絕對角度感測範圍內不會有重複根之
解答，並透過查表或特殊解析方法求得轉角資
訊，以達到多圈絕對角度感測之功能。
一般為避免在量測轉向角度時，同時量
測到扭力桿之扭轉角度，因此轉角感測介面通
常會設計在轉向機構之輸出軸側，即扭力桿底
側，將轉角感測器安裝在此側，不會因扭力桿
扭轉而導致轉角量測誤差，其轉角準確性較
高，感測器實際安裝示意圖如圖 5。
參、感測器選用因素
依據上述分析目前較常用的扭力與轉角感
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▲圖 5：感測器實際安裝情形 資料來源：TT
測方式皆屬於位置感測器之類型，根據 Frost
& Sullivan 產業調查報告指出，位置感測器在
選用時，通常考慮的因素包含了抗干擾、耐久
性、安裝空間、製造成本、精確性以及多元性
等 ( 圖 6)。
▲圖 6：位置感測器選用考量因素 資料來源：Frost & Sullivan，ARTC 整理
肆、感測器感應原理
位置感測器感應原理大致可分為三種型
式，分別為感應式、電位計式以及光學式，以
下針對各種型式進行探討與分析。
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一、感應式位置感測器
感應式主要是透過電流或磁場的變化來進
行位置感測，其電場或磁場的產生可透過線圈
通電或是磁鐵來實現，其透過線圈通電產生磁
場之型式屬於激發感應式，採用磁鐵產生磁場
之型式屬於霍爾感應式，但感應式之基本的架
構組成為感測元件與運動元件 ( 圖 7)，兩者元
件之間通常不會有物理上的接觸，屬於非接觸
式的感測方式，藉由運動元件運動時會造成電
場或磁場的變化，並透過感測元件來偵測此變
化量進而得知位置或角度訊息。圖 8 為感應式
位置感測器選用因素分析，其中在耐久性、精
確性以及多元性是感應式的優勢。
二、電位計式位置感測器
電位計式位置感測器主要是透過碳刷與薄
▲圖 7 資料來源：Frost & Sullivan
感應式感測器架構
▲圖 8 資料來源：Frost & Sullivan，ARTC 整理
感應式感測器選用因素分析
▲圖 9 資料來源：Frost & Sullivan
電位計式位置感測器架構
▲圖 10 資料來源：Frost & Sullivan，ARTC 整理
電位計式感測器選用因素分析
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膜電阻的組合來進行感測，其架構與可變電阻
相似 ( 圖 9)，藉由碳刷在薄膜電阻上的運動來
得知電壓的變化，其電壓變化即代表位置的訊
息，而此類感測器屬於接觸式的感測方式。圖
10 為電位計式位置感測器的選用因素分析，
在製造成本為其優勢。
三、光學式位置感測器
光學式位置感測器主要是透過光源的變化
來進行感測，其基本的組成架構包含了一個發
光元件、光柵以及一個光感測器 ( 圖 11)。當
光柵產生運動時會阻絕或改變感測端光源的亮
度，並且透過光感測器來偵測亮度變化，進而
得知位置改變量。圖 12 為光學式位置感測器
的選用因素分析，其在抗干擾是光學式位置感
測器的主要優勢。
經上述分析各類型感應原理，整理出其優
缺點比較，參見表 1。
伍、市場趨勢及產品分析
如前述所提，轉向扭力角度感測器為
EPS 系統與 ADAS 之必要元件，因此兩者的
市場成長趨勢有著連動關係。而根據 Frost &
Sullivan 產調分析，預計在 2020 年全球將有
80% 新車安裝 EPS 系統，總量將超過 9 千萬
套，加上 ADAS 越來越普及，扭力角度感測
器的未來市場將令人期待。
目前市面上應用於 EPS 系統之扭力角度
感測器皆為專業廠或是直接由系統廠所開發，
扭力角度感測器之主要供應商與其應用原理，
可參見表 2。
表 1：轉角感測器之原理與型式比較
感測原理 感應式 電位計式 光學式
感測型式 非接觸式 接觸式 非接觸式
優點精確度高
可靠度佳
製造成本低
安裝空間小抗干擾佳
缺點製造
成本高
耐久
問題
精確度
受限
▲圖 11 資料來源：Frost & Sullivan
光學式位置感測器架構
▲圖 12 資料來源：Frost & Sullivan，ARTC 整理
光學式感測器選用因素分析
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陸、車輛中心投入扭力角度感測器之研發
EPS 系統已逐漸成為轉向控制型式
ADAS 必備之底盤次系統模組，且在 2020 年
將超過 80% 新車搭載電動輔助轉向系統，此
現象勢必衝擊國內傳統液壓輔助轉向系統相關
製造廠商，也因如此，國內已有數家廠商投入
電動輔助轉向系統以及相關零組件之研發，其
中包含轉向機構、電動馬達、電子控制單元等
組件開發設計，然而在扭力角度感測器則少有
廠家投入研發設計，導致系統往往因感測器購
買價格昂貴而無法降低量產成本。ARTC 基於
表 2：扭力角度感測器之應用原理與供應商
廠牌 BI ( TT tech.) BOSCH Bourns JTEKT Hella ZF-TRW
圖示
原理
霍爾感應式
(Hall Effect
type)
霍爾感應式
(Hall Effect
type)
霍爾感應式
(Hall Effect
type)
霍爾感應式
(Hall Effect
type)
激發感應式
(Resolver
type)
光學式
(Encoder
type )
系統廠Nexteer
(Delphi)BOSCH BOSCH JTEKT Mando ZF-TRW
車廠GM, Fiat,
Ford
VW, GM,
Ford
VW, GM,
Ford
Toyota,
Nissan, GM
Hyundai,
KIA,Fiat
Ford,
Mazda, KIA
表 3：ARTC 轉向扭力角度感測器研發技術能量
整合式扭力感測器 激發式轉角感測器 扭力角度感測器
圖示
感應原理電位計式
(Potentiometer type)
激發感應式
(Resolver type)
磁場感應式
(Hall Effect type)
感測方式 (Potentiometer type) 非接觸式 非接觸式
感測功能 扭力感測 角度感測 扭力與角度感測
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EPS 系統研發工作已有多年經驗，對於 EPS
系統各組件之規格需求皆有一定程度之瞭解，
自 2011 年起便投入扭力角度感測器相關研
究，希望能建立扭力角度感測器自主開發技
術，以補足國內 EPS 系統之缺口，目前已分
別設計出扭力感測器、轉角感測器以及整合式
之扭力角度感測器 ( 表 3)。
基於現有車電系統之需求，採用非接觸
式之整合式扭力角度感測器會是未來市場之主
流，以下針對 ARTC 之扭力角度感測器進行
深入介紹。
ARTC 開發之轉向扭力角度感測器是採
用磁場感應式原理來實現非接觸式的感測方
式，基於行星齒輪運動原理來實現扭力感測功
能，設計一個可線性放大扭力桿轉角的機制，
將軸件之扭力桿扭轉角經行星齒輪系放大 15
倍，即力矩感測輸出端 (行星齒輪系之太陽輪 )
角度與扭力桿轉角比值為 15:1，在太陽輪上
安裝一磁性元件，並透過電路板之感應晶片偵
測磁性元件之磁場變化，進而得知扭力桿的扭
轉角度；轉角感測機制則是在原有扭力感測機
構上，加裝兩組不同齒數之齒輪，配合齒輪差
速運動與解析法實現絕對角度感測功能，其兩
差速齒輪轉動角度量測原理與扭力量測原理相
同；ARTC 開發之轉向扭力角度感測器組件示
意圖如圖 13 所示。
轉向扭力角度感測器實體如圖 14 所示，
感測器材質使用 PET-P 塑膠材質，此類材質
具較佳之尺寸安定性、低摩擦係數以及符合車
用之容許工作溫度，且感測器體積尺寸與市售
之感測器相近，相關性能規格請參考表 4。
ARTC 開發之轉向扭力角度感測器性能
已達市售產品水準，目前研發進度已進入實車
搭載驗證測試階段，透過先期投入建置一完善
的研發與測試能量，未來可協助國內廠商快速
建立轉向扭力角度感測器之開發技術能量，建
構完整的電動輔助轉向系統生產供應鏈，提升
國內車電產業之競爭力。
▲圖 13：位置感測器選用考量因素 ARTC 轉向扭力角度感測器組件示意圖
▲圖 14 ：轉向扭力角度感測器實體圖
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表 4：ARTC 轉向扭力角度感測器研發技術能量
規格項目 ARTC 市售感測器
感測器
總成規格
輸入電壓 5V 5V
類比訊號輸出 0~5V 0~5V
扭力
感測規格
可偵測扭轉角度 ±8° ±5°
解析度 0.012° N/A
訊號輸出 雙訊號輸出 雙訊號輸出
遲滯 0.026° 0.07°
非線性度 ≤ ±1% ≤ ±3%
轉角
感測規格
絕對偵測角度 ± 969° ± 900°
解析度 0.1° N/A
可靠度
規格
電磁相容通過 ISO11452-2/4 與 ISO10605 測試
振動通過 ISO16750-3 測試
疲勞耐久通過最大扭轉角度 100 萬次循環測試