基于CAN總線對應變式扭矩傳感器的零點校正

李志鵬，楊傳英，邵憲友

(東北林業(yè)大學 交通學院，哈爾濱　150040)

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引用格式：李志鵬，楊傳英，邵憲友.基于CAN總線對應變式扭矩傳感器的零點校正[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(1):89-92.

Citation format：LI Zhi-peng, YANG Chuan-ying， SHAO Xian-you.Zero Correction of Variable Torque Sensor Based on CAN Bus[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):89-92.

基于CAN總線對應變式扭矩傳感器的零點校正

李志鵬，楊傳英，邵憲友

(東北林業(yè)大學 交通學院，哈爾濱150040)

摘要：傳感器零點的長期穩(wěn)定是一項重要的技術參數(shù)指標。影響傳感器零點誤差的因素包括粘貼工藝、彈性體設計、溫度等。針對應變式扭矩傳感器內(nèi)部電阻磨損對零點造成的誤差進行研究，并通過CAN總線對其零點進行校正。

關鍵詞：應變片；電阻率；CAN總線

最初的補償方法是采用硬件電路補償來實現(xiàn)，但是這種方法缺少靈活性，并且加入的硬件也會帶來新的誤差。隨著計算機技術的發(fā)展及廣泛應用，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，可在一定程度上改善傳感器在硬件電路補償方面的不足。本文主要通過單片機對數(shù)據(jù)進行處理和補償，通過CAN總線傳輸來提高傳感器的穩(wěn)定性和準確度。

1應變式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)及誤差原因

工作原理傳動軸由于受外力產(chǎn)生機械應變，使軸上的應變計的電阻值發(fā)生了變化，導致應變電橋的不平衡，通過導電滑環(huán)和刷臂輸出與扭矩成正比的微弱電信號。當外力作用時，導電滑環(huán)的電阻值會發(fā)生變化。電橋結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1　電橋結(jié)構(gòu)原理

扭矩傳感器利用應變片組成電橋，在力的作用下電阻值也發(fā)生相應的變化。當輸入端通過直流電壓之后，輸出端可以輸出隨外力大小而改變的電壓信號。再經(jīng)過信號處理加工，就能得到扭矩的大小。

根據(jù)傳感器的工作理論，傳感器零點誤差主要隨著傳感器電路中電阻的變化而變化。根據(jù)歐姆定律，電阻可表示為

其中：R為導電材料的電阻；ρ為電阻率；l為導電材料的長度；s為導電材料的截面積。式(1)說明電阻的大小與其幾何尺寸和電導率有關系。

本文主要對傳感器的磨損引起的零點輸出誤差進行研究，也就是說，磨損必將導致其電導率的改變，因此需要從根本上對電導率進行研究。由電工學可知：在計算電阻值時，默認電阻率是一個常數(shù)，但在研究傳感器零點輸出誤差時則認為它是隨時間慢慢變化的。為了解決電阻率變化的問題，有必要深入了解金屬體導電的實質(zhì)。

金屬的導電性在宏觀上是由于金屬中具有自由電子，在外電場的作用下自由電子發(fā)生了定向移動而產(chǎn)生了電流。但在微觀上，任何金屬物質(zhì)沒有自由電子，它是由電子和原子構(gòu)成。在沒有外加電場作用時它們不分開；加上外加電場之后電子就會脫離原子的束縛從一個原子核轉(zhuǎn)移到另一個原子核的上面依次進行移動，從而產(chǎn)生電流。按照量子力學的概念[1]，電阻率用下式表示：

式中的幾個參量僅與溫度有關， 而與本文提出的磨損無關，所以不考慮溫度影響。因為電導率與電阻之間有導數(shù)關系[2]，即ρ=1/τ，(電子的散射度)電導率越小電子的散射度就越大。所以，電子的散射幾率越大，材料的電阻率越大。

電子的散射度受外界溫度、外部施加壓力、范性形變、材料的化學成分和組織結(jié)構(gòu)等因素的影響。隨著溫度的升高，電子容易被散射出去。本文主要針對導電滑環(huán)的磨損來考慮問題，因此主要對其范性形變進行分析。通過一定的原理以及總結(jié)可知：范性形變使材料的電阻率增加。電阻率發(fā)生變化的原因是由于導體材料范性形變使得晶體點陣發(fā)生了變形和缺陷，導致電場的分布有差異，從而使電子的散射度明顯增加。范性形變的變化程度越明顯，其散射度便隨之增加，最后導致金屬的電阻率增加。在傳感器使用過程中，長時間的使用和嚴重磨損會使傳感器零點的輸出出現(xiàn)偏差從而影響傳感器的穩(wěn)定性。

為了驗證理論的可靠性，進行1 800次實驗。每次轉(zhuǎn)動方向盤后使其回到直線位置，然后測出此時的電壓值。具體數(shù)值如下：

次數(shù)100200300400500600700800900電壓3.2463.2463.2443.2453.2443.2423.243.2353.234次數(shù)100011001200130014001500160017001800電壓3.2353.2343.2333.2323.233.2323.2313.2313.231

由實驗結(jié)果可知：磨損對電阻值有較大的影響。因此，長時間的使用扭矩傳感器會使導電滑環(huán)的電阻值發(fā)生變化，導致傳感器的零點發(fā)生變化，從而使汽車在直線行駛時發(fā)生跑偏的現(xiàn)象。

2檢測零點及處理方法

電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又被稱為EPS，一般由電動機、傳感器、控制單元等元件構(gòu)成。其整體結(jié)構(gòu)是向方向盤施加一個力，這個力通過扭桿傳遞給扭矩傳感器。傳感器測出一個信號傳遞給電控單元，加上車速等信息后，電控單元經(jīng)過分析處理給電動機輸出一個電信號使得電動機輸出一個合適的力，通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)使車輪舒適自由地行駛。這就是汽車EPS系統(tǒng)，可使得用戶具有較好的舒適感以及良好的駕駛感覺。為了提高信號的傳輸速率，目前汽車上都安裝有CAN、FlexRay等總線系統(tǒng)與各種傳感器互連，通過總線將信號傳遞給控制器后再進行控制，極大地提高了傳遞的速率和準確度。

從理論上來說，傳感器的零點誤差[3]可以通過電路設計和調(diào)試來完全消除，但事實上傳感器和測量電路還會受到時間和環(huán)境等不確定性因素的影響。大多數(shù)情況下，輸出的零點由于各種外界情況的影響會發(fā)生不間斷的變化，有些誤差因素隨時間、溫度的變化而變化，但本文主要從傳感器的磨損方面來考慮，因此，為了改善這種情況，需要對其進行校正。通過傳感器隨機地采集零點的信號，并在單片機中進行處理控制求其總體的平均數(shù)，然后將實際測得的電壓值與平均誤差相減即為校正。總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2總體結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用的單片機芯片為AT89C51，帶有4K字節(jié)的存儲功能，單片機內(nèi)部的只讀存儲器具有可擦除1 000次的能力。單片機程序一般包括初始化、主程序、中斷服務程序和子程序。部分程序流程見圖3。

圖3　部分程序流程

3CAN總線

CAN總線[4]又稱為控制器局域網(wǎng)絡，是工業(yè)上廣泛應用的總線之一，在具有較高實時性的同時也提供了準確的傳遞數(shù)據(jù)。

本文中CAN總線上的單元主要由單片機芯片AT89C51、獨立控制器SJA1000、總線收發(fā)器PCA82C250和6N137光電耦合器等元件構(gòu)成。對獨立控制器SJA1000初始化后，就可以完成模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

數(shù)據(jù)的采集一般都是由傳感器經(jīng)過測量后傳送到結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進行處理。為了提高效率，模擬信號的采集一般都是多通道同時采集，然后將采集到的信號輸送到A/D轉(zhuǎn)換器的端口進行處理以及轉(zhuǎn)換，將處理后的信號傳送到微計算機，通過擬定的程序計算得到想要的數(shù)據(jù)，并將最終數(shù)據(jù)傳遞給CAN微控制器，再依據(jù)CAN協(xié)議的格式轉(zhuǎn)換一次后，發(fā)送到上位機或者其他模塊，使其得到自己想要的數(shù)據(jù)?？傮w硬件實現(xiàn)電路見圖4。

圖4　總體硬件實現(xiàn)電路

1) 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換電路：電路由TLC2543芯片和AT89C51組成。P1.0與CS相連，只有CS變化才能進入工作狀態(tài)進行寫操作或者讀操作；P1.1與CLOCK連接，控制片內(nèi)的時鐘頻率；P1.2與DATA IN相連，控制信號的輸入以及在片內(nèi)進行格式的轉(zhuǎn)換；P1.3與DATA OUT 相連，把采集到的信號輸出；INT1引腳與EOC引腳相連，通過AT89C51來控制信號轉(zhuǎn)換的時間點，以此告知何時結(jié)束采集進程。

2) 芯片的連接電路：CAN 總線的模塊體系主要由芯片82C250和SJA1000構(gòu)成。SJA1000對AT89C51進行控制，AT89C51相當于SJA1000外接的存儲芯片進行工作。其中，AT89C52上的P0口分別與SJA1000的AD0～AD7相互連接，RD、ALE、WR、P2.4口分別與SJA1000的RD、ALE、WR、CS端相連接，并且SJA1000的控制中斷信號引腳INT連接AT89C51的INT0引腳，使得AT89C51在SJA1000的控制下可以合理地接收要傳送的信號?？偩€收發(fā)器82C250與物理總線的CANL和CANH相連接，使得數(shù)據(jù)可以傳輸[5]，同時其本身也具有較強的抗干擾能力，使得信號的傳輸能力增強，更表現(xiàn)出CAN系統(tǒng)實時性的特點。SJA1000的TX0和RX0分別與6N173光電耦合器的引腳相連，將信號傳遞到82C250，再次將信號通過物理總線的高低端傳送到所需要的模塊中。

3) 需要轉(zhuǎn)換格式[6]的電路：如果有采集到的信號或者從CAN總線來的信號，需要將其格式轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰母袷?，可讓其信號通過AT89C51的TXD傳送到MAX232中進行格式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，從MAX232中將信號再次傳遞到AT89C51的RXD端口，讀取信號，此過程就是信號轉(zhuǎn)換的全過程。

具體的流程見圖5。

4結(jié)束語

零點是傳感器的一項重要指標，研究和校正零點的誤差具有重要意義。本文設計建立在實驗基礎之上，表明傳感器長時間磨損引起的零點誤差可以很好地校正。基于CAN總線的傳輸使得校正的速率得到了提高，滿足了企業(yè)和用戶的需求。

圖5　具體流程

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(責任編輯楊黎麗)

Zero Correction of Variable Torque Sensor Based on CAN Bus

LI Zhi-peng, YANG Chuan-ying， SHAO Xian-you

(Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:Long-term stability of sensor zero is an important technical parameters index. There are many reasons for the error of the sensor zero. For example: paste technology, design of elastomer, temperature, etc. We studied on the error zero point caused by the internal resistance wear of the varible torque sensor and corrected its zero point by CAN bus.

Key words:strain gauge; resistivity; CAN Bus

文章編號：1674-8425(2016)01-0089-04

中圖分類號：TP202+.2

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.015

作者簡介：李志鵬(1963—)，男，哈爾濱人，博士，教授，主要從事汽車電子控制技術研究。

基金項目：黑龍江省科學技術基金資助項目(E051103)

收稿日期：2015-07-18