一種智能助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)目前助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)開發(fā)難度大、成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于敏感元件的新型助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)。以敏感元件電阻應(yīng)變片為核心的力矩傳感器、以差分放大和A/D轉(zhuǎn)換電路為主的信號(hào)處理單元、以低功耗無(wú)線射頻芯片CC1110為核心的數(shù)據(jù)處理及無(wú)線收發(fā)單元等部件置于助力車中軸，實(shí)現(xiàn)力矩信號(hào)的采集；軟件上運(yùn)用加權(quán)遞推平均濾波增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，采用零點(diǎn)補(bǔ)償和最小二乘法擬合矯正來(lái)確保數(shù)據(jù)的采集精度。利用感應(yīng)耦合供電和無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)位于中軸力矩采集部件電能與信號(hào)的非接觸傳輸。最后在模擬實(shí)際騎行的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的精度及耐久性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量精度較高，在20 000 km測(cè)試范圍內(nèi)，滿量程誤差小于1%，具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 智能助力車； 力矩傳感器； 最小二乘法； 無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)： TN925+.91； TN710.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0044?05

Abstract： Since the torque sensing system of e?bike has high development difficulty and cost， a sensitive component based novel torque sensing system for e?bike was designed. The torque sensor taking the sensitive component （resistance strain gage） as its core， the signal processing unit mainly composed of differential amplifier and A/D conversion circuits， and the data processing and wireless transceiving unit taking lower?power consumption RF chip CC1110 as its core are installed on the middle axle of the e?bike to realize torque signal acquisition. In the software， the weighted recursion average filtering algorithm is used to enhance the stability of data acquisition， and the zero?point compensation and least square method for fitting and correction are used to ensure the high precision of data acquisition. The inductive coupled power transfer （ICPT） and wireless digital transmission technology are used to realize the non?contact transmission of electric power and signal of torque acquisition components locating at the middle axis. On the basis of simulating the practical riding， the accuracy and durability of the system were tested. The result shows that the system works stably and has high detection precision， and its error is less than 1% within the testing range of 20 000 km.

Keywords： intelligent e?bike； torque sensor； least square method； wireless transmission

0 引 言

鋰電池智能助力車和傳統(tǒng)的純電機(jī)助力車相比有著明顯的不同，純電機(jī)助力車是通過(guò)調(diào)速手把單向控制車速，而智能助力車是通過(guò)實(shí)時(shí)感測(cè)騎車人施加在踏板上的力矩大小來(lái)感知車輛行駛狀態(tài)，利用電機(jī)助力實(shí)現(xiàn)“智能騎行”[1]。隨著人們綠色環(huán)保、節(jié)能減排以及健身意識(shí)的增強(qiáng)，從純電機(jī)助力車向智能助力車轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)。力矩感測(cè)系統(tǒng)作為騎行狀態(tài)感知的核心系統(tǒng)，是智能助力車研究的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)智能助力車的研究和推廣仍處于起始階段，市場(chǎng)上多數(shù)助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)，是利用兩對(duì)線性霍爾傳感器，將騎行過(guò)程中的力矩信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換為相位差信號(hào)后進(jìn)行測(cè)量[2?3]。該方案機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)安裝精度有著很高的要求，若助力車在后期使用過(guò)程中出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，如意外碰摔，容易導(dǎo)致霍爾傳感器移位，產(chǎn)生力矩信號(hào)檢測(cè)的漂移。在歐美、日本等國(guó)家智能助力車已經(jīng)擁有一定規(guī)模的市場(chǎng)，但因價(jià)格、工藝等因素，很難打開國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。例如，德國(guó)BOSCH公司開發(fā)的助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)采用基于逆磁致伸縮效應(yīng)的力矩傳感器，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但逆磁致伸縮材料在國(guó)內(nèi)應(yīng)用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化還處于起步階段[4]，系統(tǒng)開發(fā)難度大、成本高，難以在國(guó)內(nèi)推廣使用。另外，還有鏈輪型力矩傳感器[5]、曲柄軸力矩傳感器以及后爪鉤型力矩傳感器等應(yīng)用于助力車感測(cè)系統(tǒng)，但此類傳感器均暴露在外界環(huán)境中，容易受環(huán)境濕度、濕度影響，穩(wěn)定性較差[6]。

本文在研究和分析了國(guó)內(nèi)外已有的幾種智能助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于非接觸感應(yīng)耦合供電、應(yīng)變片傳感器技術(shù)和無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)的助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，信號(hào)采集精度較高、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：一是用于實(shí)時(shí)獲取力矩信號(hào)的力矩采集模塊，它置于助力車腳踏輪盤的軸承內(nèi)，在騎行者騎行過(guò)程中隨著中軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；二是用于接收力矩信號(hào)的力矩接收模塊，它固定于助力車的牙盤下，與助力車電機(jī)控制器相連。力矩采集模塊在工作過(guò)程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其電能供應(yīng)和信號(hào)傳輸均采用無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)：力矩采集模塊利用松耦合變壓器模型接收來(lái)自力矩接收模塊的電能，并通過(guò)CC1110無(wú)線發(fā)射單元將力矩信號(hào)發(fā)送至力矩接收模塊。力矩接收模塊利用感應(yīng)耦合方式為力矩采集模塊提供電能，同時(shí)將無(wú)線接收到的力矩信號(hào)通過(guò)微控制器CC1110串口發(fā)送至助力車電機(jī)控制器主控芯片，電機(jī)控制器根據(jù)力矩信號(hào)大小控制電機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)智能助力。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的需求，力矩采集模塊硬件主要由無(wú)線供電副邊電路、力矩傳感器、力矩信號(hào)處理單元電路和CC1110無(wú)線發(fā)射單元電路組成。力矩信號(hào)接收模塊由電源模塊、無(wú)線供電原邊電路和CC1110無(wú)線接收單元電路組成。

2.1 無(wú)線供電單元設(shè)計(jì)

力矩信號(hào)接收模塊的電源由助力車鋰電池提供，鋰電池為36 V直流電源，選用TI公司的DC/DC降壓穩(wěn)壓芯片LM2576將36 V電壓轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的5 V電壓，為力矩接收模塊提供工作電壓。

力矩接收模塊以電磁感應(yīng)耦合的方式為力矩采集模塊傳輸電能。感應(yīng)耦合供電的原理是通過(guò)高頻交變電流驅(qū)動(dòng)原邊繞組，使其在周圍空間內(nèi)產(chǎn)生高頻變化的電磁場(chǎng)，位于該電磁場(chǎng)中的副邊繞組由于磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流穩(wěn)壓后得到具有一定負(fù)載能力的直流電[7]。經(jīng)測(cè)試可知，力矩信號(hào)采集模塊的工作電壓為5 V，工作電流約為25 mA。綜合考慮系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積尺寸以及所需工作電壓、電流等需求，設(shè)計(jì)無(wú)線供電單元的原邊電路和副邊電路如圖2所示。

本文采用XKT?510方波調(diào)制發(fā)生器集成芯片和TI公司的開光型穩(wěn)壓芯片TPS560200。XTK?510的功率輸出引腳OUT產(chǎn)生頻率為200 kHz的方波信號(hào)，經(jīng)LC振蕩后在原邊繞組中產(chǎn)生200 kHz高頻交變電流。副邊繞組感應(yīng)交變電流經(jīng)二倍壓整流后輸入穩(wěn)壓芯片TPS560200，輸出穩(wěn)定的5 V直流電供力矩信號(hào)采集模塊工作。為了減小功率損耗，提高電能傳輸效率，采用原邊并聯(lián)?副邊并聯(lián)補(bǔ)償（PP）方式進(jìn)行諧振補(bǔ)償[8] 。原邊繞組纏繞在助力車中軸的外骨架上靜止不動(dòng)，其匝數(shù)為12匝，直徑為45 mm；副邊繞組纏繞在中軸內(nèi)骨架上，隨著中軸一起旋轉(zhuǎn)，其匝數(shù)為14匝，直徑為36 mm。原邊繞組和副邊繞組的電感值均為14 μH。中軸外骨架嵌套于內(nèi)骨架外，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，在組裝拆卸時(shí)不會(huì)對(duì)中軸的旋轉(zhuǎn)部件造成任何影響。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)供應(yīng)電壓為5 V時(shí)，副邊電路最大可提供90 mA電流，完全滿足力矩采集模塊供電需求。

2.2 力矩傳感器設(shè)計(jì)

由助力車機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)騎行者騎行助力車時(shí)，施加的力矩首先從助力車左右側(cè)踏板傳遞至曲柄軸，繼而由曲柄軸傳遞至中軸，中軸受力將產(chǎn)生微小形變。如圖3所示，選用型號(hào)為FCT?2?350?11的電阻應(yīng)變片，在中軸指定位置同一截面處黏貼4塊應(yīng)變片，應(yīng)變片與軸線分別成45°和135°，構(gòu)成惠斯通電橋。當(dāng)中軸受力發(fā)生應(yīng)力變化后，電橋電阻的變化率[ΔRR]與中軸受力大小呈正比關(guān)系，中軸上微小的應(yīng)力變化將改變電橋的平衡狀態(tài)，通過(guò)惠斯通電橋?qū)㈦娮韪淖兞哭D(zhuǎn)變?yōu)閙V級(jí)的差動(dòng)電壓信號(hào)。

2.3 力矩信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

力矩傳感器輸出的信號(hào)是mV級(jí)的微弱電信號(hào)，CC1110無(wú)線發(fā)射單元不能直接識(shí)別獲取，該信號(hào)需經(jīng)信號(hào)放大電路后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路處理為數(shù)字信號(hào)，然后送入微控制器CC1110。放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示。

本文選用ADI公司的ADA4528作為運(yùn)算放大器，對(duì)力矩傳感器的輸出信號(hào)采用差分放大，有效抑制了共模信號(hào)，提高了信號(hào)的準(zhǔn)確性?？紤]到力矩傳感器的輸出電壓信號(hào)范圍和測(cè)量精度要求，設(shè)計(jì)電路放大倍數(shù)A=107倍。為提高放大倍數(shù)的精度，圖4中R1，R2，R3均采用[1‰]的高精密電阻。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADI公司的AD7171芯片，AD7171是一款極低功耗、16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)速度為125 Hz，建立時(shí)間為24 ms。經(jīng)放大電路放大后的電壓信號(hào)差分輸入AD7171的AIN+和AIN-引腳，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)采集。AD7171的輸出碼通過(guò)數(shù)據(jù)輸出引腳DOUT、時(shí)鐘引腳SCLK以及復(fù)位引腳PDRST與微控制器CC1110通信，AD7171使用偏移二進(jìn)制編碼，模擬輸入電壓的輸出碼可以表示為：

2.4 無(wú)線收發(fā)單元電路設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)單元的主控芯片選用TI公司的CC1110，它是一款頻率為433 MHz的低功耗射頻SoC（片上系統(tǒng)）。CC1110集成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型C8051內(nèi)核和一個(gè)無(wú)線收發(fā)器，集數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)和處理于一體，減小了設(shè)計(jì)尺寸、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CC1110可直接通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存取，減輕了CPU的負(fù)荷。CC1110最小系統(tǒng)包括電源、晶振、寫入、復(fù)位及射頻電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 非線性軟件矯正方法及實(shí)現(xiàn)

由于力矩傳感器的電阻應(yīng)變片本身制造誤差和黏貼工藝誤差等因素，力矩傳感器的輸入/輸出特性曲線存在著一定的非線性，需通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)矯正[9]。本文選用曲線擬合法實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩傳感器的非線性校正?；菟雇姌虻妮敵鲭妷篣和作用在踏板上的力矩M模型可表示為：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在平坦道路上正常騎行時(shí)助力車中軸所受力矩約20 N·m，在爬坡時(shí)的力矩約80 N·m，由此設(shè)定正常力矩采集范圍為0～95 N·m。在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，采用靜態(tài)力矩測(cè)量方法，即將助力車牙盤固定不動(dòng)，通過(guò)高精度扭力扳手去扳動(dòng)助力車中軸，記錄扭力扳手的力矩值和力矩采集模塊的電壓輸出值。在測(cè)量過(guò)程中，力矩采集模塊通過(guò)無(wú)線方式將電壓信號(hào)發(fā)送至力矩接收模塊，力矩接收模塊的微控制器CC1110通過(guò)串口與PC機(jī)通信，讀出相應(yīng)標(biāo)定點(diǎn)電壓值。將力矩值從0開始，每次增加5 N·m，共采集20個(gè)標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)，為了保證矯正點(diǎn)數(shù)據(jù)的精確，將每個(gè)矯正點(diǎn)的五個(gè)數(shù)據(jù)取平均，見表1。利用Matlab的最小二乘法多項(xiàng)式擬合函數(shù)polyfit進(jìn)行擬合，計(jì)算出a0=-0.466，a1=2.436，a2=-0.396，得到力矩M和電壓U的關(guān)系式：

由于焊接、工藝、器件精度等因素的影響，力矩傳感器在實(shí)際工作中，即使處于非受力狀態(tài)，其電橋也會(huì)處于不平衡狀態(tài)，有著微弱的零位輸出[9?10]，這種誤差會(huì)使助力車產(chǎn)生自啟動(dòng)現(xiàn)象，存在一定的安全隱患，需通過(guò)軟件輔佐實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)補(bǔ)償。零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆绞绞牵涸诹貍鞲衅魑词芰Φ臈l件下，記錄當(dāng)前的漂移電壓值，并將該值存儲(chǔ)在單片機(jī)FLASH中，在正式工作運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)減去該漂移值，實(shí)現(xiàn)清零矯正。

采集信號(hào)經(jīng)零位補(bǔ)償后，將得到電壓值U代入式（6），實(shí)現(xiàn)非線性矯正，將得到相應(yīng)的力矩值通過(guò)DMA方式交由RF發(fā)射模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。考慮到實(shí)際騎行助力效果的需求和射頻芯片CC1110的處理能力，力矩采集模塊的工作頻率為20 Hz，即1 s采集、處理及無(wú)線發(fā)送20次力矩信號(hào)。

3.3 CC1110無(wú)線接收單元軟件設(shè)計(jì)

CC1110無(wú)線接收單元在完成系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入RF接收模式。在接收到數(shù)據(jù)后，檢查數(shù)據(jù)的源地址和目標(biāo)地址與發(fā)射單元設(shè)定的是否一致：若不一致，則直接丟棄；若一致，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。若力矩值范圍在0～95 N·m之間，則將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至電機(jī)控制器；若力矩值范圍不在該范圍內(nèi)，則異常計(jì)數(shù)器ErrorCount累加1。若ErrorCount的值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則認(rèn)定系統(tǒng)異?；蛑囂幱诜钦Ｊ褂脿顟B(tài)，CC1110發(fā)送錯(cuò)誤信息給電機(jī)控制器，提醒用戶及時(shí)檢查維修。

4 系統(tǒng)測(cè)試方法及結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)性能和實(shí)際應(yīng)用的可行性，本項(xiàng)目組自主開發(fā)了一套針對(duì)于助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)的基于Lab?VIEW的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)硬件系統(tǒng)如圖6所示，包括車用齒輪、鏈條、伺服電機(jī)（三菱HF?SN102（B）J?S100）、標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器（九鼎LDN?08D）以及磁粉制動(dòng)器。伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪及鏈條，模擬實(shí)際的騎行施力；磁粉制動(dòng)器模擬助力車騎行過(guò)程中的負(fù)載；標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)的力矩信號(hào)與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度和耐久性進(jìn)行綜合測(cè)試，測(cè)試方法如下所述。

4.1 精度及耐久性測(cè)試方法

由于在實(shí)際騎行過(guò)程中，助力車中軸受力呈周期性變化，其變化規(guī)律大致滿足正弦波形[11]。為了模擬實(shí)際騎行環(huán)境，負(fù)載采用周期為2 s的正弦波加載方式，變化范圍為0～95 N·m，齒輪轉(zhuǎn)速為20 km/h。力矩接收模塊固定于測(cè)試系統(tǒng)的牙盤下，將無(wú)線接收到的力矩信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集處理后發(fā)送到工控機(jī)，由Lab?VIEW上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示及保存，并與標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器進(jìn)行比較，得到滿量程誤差δ，滿量程誤差δ可表示為：

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，由于力矩傳感器電阻應(yīng)變片的衰減，感測(cè)系統(tǒng)精度隨測(cè)試?yán)锍虜?shù)增加呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，在20 000 km耐久測(cè)試內(nèi)，測(cè)量精度穩(wěn)定在0.3%FS～0.8%FS，滿足實(shí)際使用需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前智能助力車的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)有助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將無(wú)線供電技術(shù)、應(yīng)變片傳感器技術(shù)、無(wú)線數(shù)字通信技術(shù)相結(jié)合，利用微處理器的軟件補(bǔ)償矯正能力，提出并設(shè)計(jì)了一種新型助力車力矩感測(cè)系統(tǒng)。由于助力車的使用環(huán)境復(fù)雜多變，將力矩采集模塊隱藏在中軸內(nèi)，在美觀的同時(shí)有效避免了因車體震動(dòng)、水分和塵土等環(huán)境因素所帶來(lái)的影響。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足助力車力矩感知的實(shí)際應(yīng)用需要，為智能助力車力矩感測(cè)的發(fā)展和完善提供了一種技術(shù)選擇。

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