汽車EPS系統(tǒng)中聲表面波扭矩傳感器的天線設(shè)計(jì)

趙青青 孟旭 王春風(fēng)

摘 要：? EPS系統(tǒng)是智能駕駛汽車不可或缺的組成環(huán)節(jié)，也是車身上安全級(jí)別最高的模塊之一，本文為了簡(jiǎn)化EPS系統(tǒng)工作中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成，提高扭矩測(cè)量精度，降低響應(yīng)時(shí)間，提出一種利用微帶天線作為信號(hào)傳輸天線的無(wú)源無(wú)線式聲表面波EPS扭矩測(cè)量系統(tǒng)。本文利用HFSS 15.0軟件對(duì)同軸底面饋電式微帶矩形天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、仿真優(yōu)化，求解天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，加工實(shí)物天線并搭建電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線能夠滿足車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量信號(hào)傳遞需求，便于布置，節(jié)省安裝空間，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸扭矩信號(hào)。本文研究?jī)?nèi)容可以為智能駕駛汽車的其余動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)量提供參考。

關(guān)鍵詞： EPS;聲表面波;無(wú)源無(wú)線;扭矩測(cè)量;微帶天線

中圖分類號(hào) ：U463.4;TP212??? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A?? ?文章編號(hào) ：1006-8023（2020）02-0062-05

Antenna Design of SAW Torque Sensor in EPS System

ZHAO Qingqing1， MENG Xu2*， WANG Chunfeng1

（1. Department of Mechanical and Electrical Engineering， East University of Heilongjiang， Harbin150066， China; 2. School of Traffic Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： EPS system is an indispensable component of intelligent driving vehicles and one of the modules with the highest safety level. In order to simplify the EPS system works in real-time dynamic torque measurement system hardware composition， increase torque measuring precision， reduce response time， this paper proposes a passive wireless type surface acoustic wave EPS torque measurement system using a microstrip antenna as a signal transmission antenna. HFSS 15.0 software is used to conduct 3 d modeling and simulation optimization for the structure of coaxial underplane fed microstrip rectangular antenna， solve the optimal structure size of the antenna， process the real antenna and build the torque test bench for the electric power steering system. The test results show that the SAW torque measurement system designed in this paper can meet the requirements of dynamic torque measurement when the vehicle is turning， which is easy to arrange， saves installation space and can transmit torque signal wirelessly. The research content of this paper can provide reference for the measurement of other dynamic performance parameters of intelligent driving vehicles.

Keywords： EPS; SAW; passive wireless; torque measurement; microstrip antenna

收稿日期： 2019-09-30

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（51575097）;黑龍江東方學(xué)院橫向課題（HDFHX180110）

第一作者簡(jiǎn)介： 趙青青，碩士，講師。研究方向：新能源汽車電子控制。E-mail：837858480@qq.com

*通信作者： 孟旭，碩士，講師。研究方向：聲表面波扭矩測(cè)量技術(shù)。E-mali：372933190@qq.com

引文格式： 趙青青，孟旭，王春風(fēng).汽車EPS系統(tǒng)中聲表面波扭矩傳感器的天線設(shè)計(jì)[J].森林工程，2020，36（2）：62-66.

ZHAO Q Q， MENG X， WANG C F. Antenna design of SAW torque sensor in EPS system[J]. Forest Engineering，2020，36（2）：62-66.

0 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)是智能駕駛汽車不可或缺的重要輔助單元[1]。搭載有EPS系統(tǒng)的車輛每百公里可以減少0.4～0.6 L的燃油消耗量以及0.8～1 kg的CO2排放量。車輛在行駛過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到泥濘、沙石和柏油等不同路面情況和起步、加速和減速等不同工況，這些復(fù)雜的行駛狀況對(duì)EPS系統(tǒng)在采集車輛轉(zhuǎn)向扭矩信號(hào)方面提出了苛刻的要求，既要求EPS系統(tǒng)在采集扭矩信號(hào)時(shí)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，又要求扭矩測(cè)量系統(tǒng)可靠性要高，具有適應(yīng)大范圍溫度變化及抗污染、抗電磁干擾等能力。

現(xiàn)代檢測(cè)扭矩的方法可劃分為磁彈性式、應(yīng)變式、振弦式、光電式、磁電式、電容式、光纖式、磁敏式、激光多普勒式、軟測(cè)量式和激光衍射式等多種扭矩測(cè)量方法。這些方法都各有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也都存在著一些缺陷[2-10]。英國(guó)Sensor Technology公司的A.Lonsdale在1997年最先提出用聲表面波（SAW）元件測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸扭矩的方法，并分析了該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[11]。從中可以發(fā)現(xiàn)SAW扭矩測(cè)量技術(shù)不僅具有無(wú)源無(wú)線的優(yōu)勢(shì)，更對(duì)大范圍溫度場(chǎng)、電磁干擾和污染等惡劣情況有著極強(qiáng)的天然抗性。

1 聲表面波扭矩測(cè)量原理

SAW扭矩測(cè)量方法是利用粘貼于轉(zhuǎn)軸上的聲表面波諧振器（SAWR）在扭矩發(fā)生時(shí)，其諧振中心頻率的變化量與扭矩的變化量成線性關(guān)系這一特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量的。典型的單端對(duì)SAWR結(jié)構(gòu)如圖1所示。其具體工作原理是當(dāng)天線接收到的激勵(lì)信號(hào)被叉指換能器（IDT）轉(zhuǎn)換成SAW沿基底表面向兩側(cè)傳播，經(jīng)過(guò)反射柵加強(qiáng)與反射后在基底表面形成駐波，該駐波通過(guò)IDT轉(zhuǎn)換回電信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送給閱讀器。通過(guò)該回波信號(hào)可以解析出SAWR的諧振頻率。諧振頻率f0由SAW波速v0及IDT周期λ0決定，如公式（1）：

f0= v0 λ0 ?。 ??（1）

當(dāng)轉(zhuǎn)軸在扭矩的作用下出現(xiàn)彈性變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致粘貼于軸上SAWR的SAW波速以及IDT結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致諧振頻率f0改變[12]。

由圖2可知，當(dāng)彈性軸受到扭矩作用時(shí)，沿著軸線45°和135°兩個(gè)方向上會(huì)受到數(shù)值相等方向相反的拉應(yīng)力σ1與壓應(yīng)力σ3。如果按照這兩個(gè)方向以差分的形式布置兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的SAWR1與SAWR2，可以通過(guò)檢測(cè)SAWR1與SAWR2的回波信號(hào)，獲取到兩個(gè)諧振頻率，最終通過(guò)諧振頻率的改變量與扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到具體的扭矩值。

2 微帶天線設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定

通過(guò)分析SAW技術(shù)測(cè)量彈性軸扭矩的優(yōu)勢(shì)以及測(cè)量扭矩的基本原理，本文擬針對(duì)以鈮酸鋰為基底的中心工作頻率在920 MHz的聲表面波諧振器，設(shè)計(jì)一具有良好通信能力的信號(hào)傳輸天線。

已有研究對(duì)半波偶極子天線、小環(huán)天線、倒F天線（IFA）、微帶天線以及折合振子等幾種適用于射頻技術(shù)的天線進(jìn)行了分析[13-18]，本研究決定使用矩形微帶天線作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，因?yàn)榕c其他天線相比，矩形微帶天線是平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工且方便布置于EPS系統(tǒng)狹小的空間內(nèi)，滿足工程上大批量生產(chǎn)的要求，而且微帶天線可以同時(shí)在多頻段工作，更易與SAW傳感器陣列相匹配[19]。

微帶天線共有微帶線、同軸以及電磁耦合3種饋電方式，雖然同軸饋電方式結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，但是其天線位置位于輻射層背面，不受天線輻射影響，且饋電點(diǎn)可以選擇在天線內(nèi)的任意位置上，方便實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。所以，本文選擇同軸底面饋電方式的微帶天線作為最終的天線形式。

2.2 天線參數(shù)求解

微帶天線由3部分構(gòu)成，最底層的參考地、中間的介質(zhì)層以及覆在介質(zhì)層上的輻射元，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的微帶天線介質(zhì)層采用FR4A1級(jí)覆銅板材料，厚度h=1.6 mm，介電常數(shù)εr=4.4，耗損正切tan δ=0.02。

在已知天線工作的中心頻率f后，可以計(jì)算出輻射元的寬度w，即為：

w= c 2f?? εr+1 2? - 1 2 。? （2）

式中：c為光速。

當(dāng)考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際的輻射元長(zhǎng)度L應(yīng)為：

L= c f εe? -2ΔL。? （3）

式中：εe是有效介電常數(shù);ΔL是等效輻射縫隙長(zhǎng)度。它們分別可以通過(guò)下式計(jì)算得出：

εe= εr+1 2 + εr-1 2? 1+12 h w? - 1 2 ??。 （4）

ΔL=0.415h? εe+0.3?? w h +0.264?? εe-0.258?? w h +0.8? ?。 （5）

矩形微帶天線的工作主模式為TM10模，這就意味著電場(chǎng)只在L方向上改變，而在w方向上保持不變，所以，當(dāng)天線輸入阻抗為50 Ω時(shí)，饋電在L方向上的位置可以由下式計(jì)算得出：

Xf= L 2 ξre（L）? ??。 （6）

ξre（L）= εr+1 2 + εr-1 2? 1+12 h L? - 1 2 。 （7）

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的具體天線結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

2.3 天線參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果分析

在HFSS 15.0中建立一個(gè)新工程，將計(jì)算得出的所有天線參數(shù)初始值以變量的形式進(jìn)行定義，可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化節(jié)省大量的時(shí)間。除具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還需要設(shè)定軟件仿真時(shí)的分析類型為默認(rèn)類型，模型的長(zhǎng)度單位為mm。所建天線模型如圖4所示。

通過(guò)公式（1）—（7）可以清楚的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線的結(jié)構(gòu)與材料固定后，諧振中心頻率與匹配阻抗只與輻射元的長(zhǎng)、寬和介質(zhì)層的厚度有關(guān)，通過(guò)HFSS 15.0軟件的優(yōu)化仿真功能確定了中心頻率為920 MHz時(shí)的天線結(jié)構(gòu)尺寸以及其重要性能參數(shù)的仿真結(jié)果，優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

采用表1中所優(yōu)化后的相關(guān)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行二次建模并進(jìn)行相關(guān)性能參數(shù)仿真求解，由圖5可知天線在920 MHz中心頻率處的回波損耗為-29.32 dB，相對(duì)帶寬（RBW）=（0.927 7-0.911 5）/0.920 0×100%=1.8%，大于0.1%的行業(yè)要求。由圖6的史密斯圓圖可以發(fā)現(xiàn)天線在920 MHz中心頻率處的S11參數(shù)為0.93，接近于理想值1。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，制作天線，如圖7所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線在EPS系統(tǒng)中利用SAW進(jìn)行轉(zhuǎn)向扭矩測(cè)量的可行性，本文搭建了無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，如圖8所示。

將無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)安裝在EPS綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試臺(tái)組成與結(jié)構(gòu)如圖8所示。此時(shí)，操作人員順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤，標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器（海拉扭矩轉(zhuǎn)角傳感器）檢測(cè)到的扭矩值，會(huì)通過(guò)EPS系統(tǒng)性能指標(biāo)監(jiān)控臺(tái)上的電腦顯示界面呈現(xiàn)出來(lái)，采用無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)得到的諧振頻率值，會(huì)通過(guò)扭矩測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵鲂盘?hào)在顯示界面呈現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤達(dá)到極限位置時(shí)，改為逆向旋轉(zhuǎn)至極限位置，并往復(fù)旋轉(zhuǎn)數(shù)次。

圖9為SAWR1、SAWR2及傳統(tǒng)接觸可變電阻式EPS系統(tǒng)扭矩傳感器在EPS系統(tǒng)綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試后的輸出數(shù)據(jù)。圖9（a）是SAWR1在經(jīng)過(guò)反復(fù)正向與逆向旋轉(zhuǎn)彈性軸后進(jìn)行的輸出信號(hào)采樣，采樣點(diǎn)共5 000個(gè)，圖中階躍部分為外部輸入信號(hào)不穩(wěn)造成的，與傳感器本身性能無(wú)關(guān)。圖9（b）是SAWR2的輸出信號(hào)采樣圖，采樣點(diǎn)同樣為5 000個(gè)。圖9（c）為利亞納車型原有可變電阻式扭矩傳感器的輸出信號(hào)采樣圖，采樣點(diǎn)為5 000個(gè)。

通過(guò)圖9（a）、（b）、（c）對(duì)比分析得知，本文所提出的基于聲表面波諧振器與同軸底面饋電方式的微帶天線所組成的EPS系統(tǒng)扭矩測(cè)量系統(tǒng)，在線性度、抗噪聲及輸出信號(hào)穩(wěn)定性等方面均有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款短距離通信的同軸底面饋電方式的微帶天線，主要由參考地、介質(zhì)層、輻射元和射頻傳輸線組成。通過(guò)HFSS 15.0軟件進(jìn)行了天線的三維結(jié)構(gòu)建模與各可變參數(shù)的優(yōu)化，加工天線實(shí)物。并將無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)搭載于EPS綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]? 張碩，余強(qiáng)，閆光輝，等.商用車EPS助力控制策略的研究[J].汽車工程，2013，35（9）：812-816.

ZHANG S， YU Q， YAN G H， et al. Study on EPS power control strategy for commercial vehicles[J]. Automotive Engineering， 2013， 35（9）：812-816.

[2]? 王巖，儲(chǔ)江偉.扭矩測(cè)量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（11）：14-18.

WANG Y， QU J W. Current situation and development trend of torque measurement methods[J]. Forestry Machinery and Woodworking Equipment， 2010， 38（11）：14-18.

[3]? 趙浩.一種基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（10）：1505-1508.

ZHAO H. A torque sensor based on hall effect[J]. Journal of Sensing Technology， 2016， 29（10）：1505-1508.

[4]? 呂華溢，楊軍，宋娜.軸系扭矩測(cè)量方法與發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2017，37（2）：6-10.

LV H Y， YANG J， SONG N. Measurement method and development trend of shaft torque[J]. Measurement Technology， 2017， 37（2）：6-10.

[5]? 李志鵬，方玉良，楊鳳英，等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（8）：11-13.

LI Z P， FANG Y L， YANG F Y， et al. Research status and development trend of torque sensor for electric power steering system[J]. Sensors and Microsystems， 2013， 32（8）：11-13.

[6]? 陳世超，易偉，李程.動(dòng)態(tài)扭矩檢測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)測(cè)試，2016，42（11）：75-78.

CHEN S C， YI W， LI C. Research on dynamic torque detection technology[J]. China Test， 2016， 42（11）：75-78.

[7]? 余永華，董俊威.逆磁致伸縮扭矩傳感器特性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（1）：68-72.

YU Y H， DONG J W. Characteristic analysis of inverse magnetostrictive torque sensor[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2017， 39（1）：68-72.

[8]? 童銳.聲表面波扭矩檢測(cè)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

TONG R. Research on torque detection of acoustic surface wave[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2016.

[9]? 王艷新，唐文秀，吳函，等.基于多傳感器融合技術(shù)的智能搶險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2018，46（5）：17-20.

WANG Y X， TANG W X， WU H， et al. Design of intelligent emergency rescue robots based on multi-sensor fusion technology[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018， 46（5）： 17-20.

[10]? 李濤，林杰俊，李江，等.基于光纖光柵的扭矩傳感器[J].船舶工程，2017，39（2）：27-31.

LI T， LIN J J， LI J， et al. Torque sensor based on fiber Bragg grating[J]. Ship Engineering， 2017， 39（2）：27-31.

[11]? VARADAN V V， VARADAN V K， BAO X Q， et al. Wireless passive IDT strain microsensor[J]. Smart Materials and Structures， 1997， 6（6）， 745-751.

[12]? 孫聰.聲表面波扭矩傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2017.

SUN C. Design and implementation of surface acoustic wave torque sensing system[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017.

[13]? 周靜，譚亮.扭矩傳感器SAW在船舶推進(jìn)主軸扭矩檢測(cè)的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（10）：100-102.

ZHOU J， TAN L. Application of torque sensor SAW in torque detection of ship propulsion spindle[J]. Ship Science and Technology， 2018， 40（10）：100-102.

[14]? 李婷.RFID關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2017.

LI T. RFID key technology and its application research[D]. Nanjing： Nanjing University of Posts and Telecommunications， 2017.

[15]? 方慧.矩形寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（4）：52-53.

FANG H. Design of rectangular broadband microstrip antenna[J]. Internet of Things Technology， 2017， 7（4）：52-53.

[16]? 閆天婷.基于微帶貼片天線的應(yīng)變傳感器與檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

YAN T T. Research on strain sensor and detection technology based on microstrip patch antenna[D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2017.

[17]? 姚小勇，朱德燦.傳感器在無(wú)人駕駛汽車中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2020，48（1）：32-35.

YAO X Y，ZHU D C. Research on application of sensors in driver-less vehicles[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment，2020，48（1）：32-35.

[18]? KIRUTHIKA R， SHANMUGANANTHAM T. Comparison of different shapes in microstrip patch antenna for X-band applications[C]// International Conference on Emerging Technological Trends， 2016：1-6.

[19]? 劉巖，潘勇，曹丙慶，等.聲表面波陣列傳感器研究進(jìn)展[J].化學(xué)傳感器，2010，30（1）：25-29.

LIU Y， PAN Y， CAN B Q， et al. Research progress of surface acoustic wave array sensor[J]. Chemical Sensors， 2010， 30（1）：25-29.