基于無線傳輸?shù)闹ψ孕熊囍休S力矩測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

佘世剛，袁崢崢，尹澤明，胡月娥，朱明亮，趙 宇

(1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州丁酉智能科技有限公司，江蘇 常州 213023)

0 引言

與傳統(tǒng)自行車及純電動(dòng)車相比，助力自行車在用戶騎行體驗(yàn)、安全性、綠色環(huán)保等方面有著自身的優(yōu)勢,正成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-3]。助力自行車通過感知人踩踏踏板的力矩大小實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)助力的功能。因此，力矩測量系統(tǒng)是助力自行車研究的關(guān)鍵[4-6]。

目前用于助力自行車力矩測量系統(tǒng)的傳感器主要有后爪鉤型力矩傳感器[7]、霍爾傳感器[8]以及德國博世公司設(shè)計(jì)的基于磁致伸縮效應(yīng)的力矩傳感器[9]。爪鉤型傳感器由于安裝在暴露的環(huán)境中，容易受到室外環(huán)境的影響，導(dǎo)致傳感器的穩(wěn)定性受到影響?；诨魻杺鞲衅鞯牧馗兄到y(tǒng)通過感應(yīng)磁鐵的周期性經(jīng)過，輸出成比例的方波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。但由于霍爾傳感器對(duì)安裝精度要求較高，且自身容易受到振動(dòng)信號(hào)的影響，導(dǎo)致信號(hào)漂移等問題，降低了測量精度[10]。德國博世公司設(shè)計(jì)的基于磁致伸縮效應(yīng)的力矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，但是開發(fā)難度大、成本太高，目前國內(nèi)市場仍不能大規(guī)模銷售。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于應(yīng)變檢測原理和無線傳輸技術(shù)的助力自行車力矩測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積較小，成本低，工作穩(wěn)定，采集精度較高，適應(yīng)力矩傳感器在密封、旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中長時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)。

1 應(yīng)變檢測原理

自行車腳蹬在騎行過程中由于受到腳踏作用使起連接支承部件的中軸受到微小扭矩，從而在中軸表面產(chǎn)生微小的機(jī)械形變[11]。貼于中軸表面的電阻應(yīng)變片發(fā)生形變使得阻值變化，將形變量轉(zhuǎn)化為電壓模擬量即可測得腳踩踏踏板的力的大小。應(yīng)變片的扭矩測量原理分析過程如下。

1) 電阻絲應(yīng)變效應(yīng)理論：

設(shè)某一段導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻絲阻值為R，且R=ρL/A(L為長度，A為橫截面積，ρ為電阻率)。導(dǎo)體受軸向拉力,伸長量為ΔL，橫截面減小ΔA，電阻率變化量Δρ，則有：

(1)

圓柱形導(dǎo)體的橫截面積A=πr2，r為圓柱半徑，因此彈性范圍內(nèi)金屬導(dǎo)體縱向應(yīng)變可表示為：

(2)

其中:ε是無量綱系數(shù),μ是金屬導(dǎo)體的泊松比系數(shù)，λ為和材料有關(guān)的壓阻系數(shù)，Ε為彈性模量。將式 (2) 帶入式 (1) 可得：

(3)

令K1=1+2μ+λΕ，其中K1為常數(shù)，稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，則：

(4)

由以上公式可知，電阻應(yīng)變片阻值的相對(duì)變化量與應(yīng)變量成線性關(guān)系。

2) 應(yīng)變與扭矩關(guān)系理論：

受到單一扭矩作用的軸，其表面與軸線成45°和135°的兩個(gè)方向受到的主應(yīng)力最大[12]，最大拉應(yīng)力σ1和最大壓應(yīng)力σ2滿足關(guān)系式σ1=-σ2=τmax。設(shè)應(yīng)變片上的兩組電阻絲分別為R1和R2。則沿電阻應(yīng)變片R1和R2的應(yīng)變?chǔ)?和ε2可表示如下：

(5)

其中:ν表示泊松比，Ε表示中軸彈性模量。將σ1=-σ2帶入式 (5)，得到ε1=-ε2，即電阻應(yīng)變片R1和R2受到的應(yīng)力數(shù)值相等，方向相反。

中軸橫截面上的剪應(yīng)力τ和軸上力矩M關(guān)系為：

τ=M/W1

(6)

M為施加在中軸的力矩，W1為軸的抗扭截面系數(shù)，則σ1=-σ2=τ=M/W1,以應(yīng)變片電阻R1為例，帶入上式可得：

(7)

整理得：

(8)

(9)

可見，中軸所受扭矩大小與應(yīng)變片阻值變量成正比，在中軸上粘貼應(yīng)變片的方式可以實(shí)現(xiàn)力矩的實(shí)時(shí)測量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

騎行過程中自行車中軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此需要解決如何給測量系統(tǒng)穩(wěn)定的供電、力矩信號(hào)如何穩(wěn)定可靠的傳輸?shù)葐栴}。針對(duì)這些問題，本文提出了相應(yīng)的解決方案，方案包括硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

硬件電路部分主要包括應(yīng)變信號(hào)采集、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、無線供電與信號(hào)傳輸、穩(wěn)壓電源等模塊，圖1為中軸力矩測量系統(tǒng)組成示意圖。

力矩測量系統(tǒng)主要工作流程為：1) 應(yīng)變信號(hào)采集電路采集扭矩作用下應(yīng)變變化所引起的微小電壓變化；2) 利用運(yùn)算放大器將電壓信號(hào)放大一定倍數(shù)然后傳入PIC單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的頻率數(shù)字信號(hào)通過線圈傳輸至外部信號(hào)處理電路；3) 解調(diào)出力矩信號(hào)進(jìn)行濾波整形處理，將得到的方波信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)送至電機(jī)進(jìn)行比例助力控制。

圖1 中軸力矩測量系統(tǒng)組成

2.1 應(yīng)變信號(hào)采集電路

將2個(gè)完全相同的中航系列應(yīng)變片均勻粘貼在軸表面對(duì)稱180°的位置，使其構(gòu)成惠斯通全橋電路，全橋電路的優(yōu)點(diǎn)有：1)可以消除剪應(yīng)力、彎應(yīng)力、軸向應(yīng)力的影響2)優(yōu)良的溫度補(bǔ)償作用。本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)變信號(hào)采集電路如圖2所示。

圖2 應(yīng)變信號(hào)采集電路

全橋電路中的4個(gè)應(yīng)變片是完全相同的，阻值為R，且ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=-ΔR。當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，R1R4=R2R3，電橋的輸出電壓為零(U0=0)；當(dāng)扭矩發(fā)生變化時(shí)，電橋失衡，此時(shí)電橋輸出電壓U0與各橋臂電阻及電阻變化之間的關(guān)系為：

(10)

可見，輸出電壓U0與應(yīng)變片阻值改變量ΔR成正比。因此，可通過測量電橋輸出電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)中軸扭矩的測量。

2.2 內(nèi)部傳輸電路設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)放大電路

INA128芯片是力源信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一種低功耗、高精度的通用儀表放大器。3運(yùn)放集成設(shè)計(jì)的INA128體積小巧但功能強(qiáng)大，不僅具有高共模抑制比、高增益、高輸入阻抗的特點(diǎn)，而且運(yùn)行低噪聲、輸入偏置電流低以及輸入失調(diào)電壓低。INA128的內(nèi)部簡化電路原理圖如圖3所示。

圖3 INA128內(nèi)部簡化電路

INA128 芯片提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式，在引腳1和8之間的外部增益電阻RG可實(shí)現(xiàn)從1～10 000范圍內(nèi)的增益選擇，且在高增益條件下反饋電流輸入電路同樣可提供寬帶寬。電路放大倍數(shù)的計(jì)算公式如下：

(11)

式中, 50 kΩ為內(nèi)部反饋電阻A1和A2的和,兩個(gè)片內(nèi)金屬薄膜電阻值利用激光進(jìn)行微調(diào)至絕對(duì)精度。

本文基于INA128芯片所設(shè)計(jì)的滿足運(yùn)放需求的差分運(yùn)放電路外部電阻RG選用的封裝尺寸為0603，阻值大小為270 Ω，故電路放大增益G為：

(12)

2.2.2 無線傳輸與供電電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用同一組線圈進(jìn)行耦合，使由外而內(nèi)供電與力矩信號(hào)由內(nèi)而外傳輸同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)解決了無線供電與信號(hào)傳輸?shù)膯栴}。而線圈傳輸需要將內(nèi)部采集放大的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行無線傳輸。數(shù)字信號(hào)無線傳輸方式具有更好的抗噪聲能力，不僅可以控制傳輸過程產(chǎn)生的誤差，方便用于集成電路，減小系統(tǒng)體積，還能避免摩擦發(fā)熱、延長芯片使用壽命。

首先利用無線供電線圈的副端將內(nèi)部數(shù)字信號(hào)發(fā)送出去，在源端接收到信號(hào)后，根據(jù)供電與力矩信號(hào)頻率的不同利用濾波整形電路將信號(hào)解調(diào)出來，從而完成信號(hào)的無線傳輸。傳輸原理如圖4。

圖4 力矩信號(hào)傳輸原理

無線傳輸模塊選用芯科泰公司開發(fā)的XKT-412與XKT-335芯片。該無線傳輸芯片采用高頻大功率集成電路，體積小輸出功率強(qiáng)大。用于收發(fā)信號(hào)配套的線圈體積和尺寸小、成本低，且能夠在較高頻率范圍內(nèi)使用。XKT-412利用電磁能量轉(zhuǎn)換原理，實(shí)現(xiàn)配合接收部分做能量轉(zhuǎn)換及電路實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，所需外部電路配合元件極少，電路設(shè)計(jì)簡單，具有高精度高穩(wěn)定性高可靠性的特點(diǎn)。

2.2.3 力矩信號(hào)V-F轉(zhuǎn)換

本文選用PIC12F系列單片機(jī)，其內(nèi)部的8位A/D轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變功能。同時(shí)該單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編程處理傳送給無線收發(fā)器，信號(hào)通過無線收發(fā)器以純數(shù)字形式完成輸送。

2.3 力矩信號(hào)外部傳送原理

內(nèi)部經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)由線圈耦合進(jìn)行傳輸，外部電路經(jīng)過低通濾波，解調(diào)出力矩信號(hào)波形，經(jīng)整形后形成規(guī)律的方波信號(hào)傳輸至電機(jī)，進(jìn)行電機(jī)功率控制。

2.3.1 濾波電路模塊

外部線圈接收到內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)后，通過在無線模塊XKT-412芯片的引腳5與地之間連接一個(gè)并聯(lián)組成的10 Ω電阻R28、R29，從而引出包括50 kHz左右的高頻電流信號(hào)和內(nèi)部線圈產(chǎn)生的約為60 Hz的力矩信號(hào)，因此接下來需要使用低通濾波，過濾供電產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)，留下低頻力矩信號(hào)。圖5為濾波電路。

圖5 濾波電路

2.3.2 外部比較電路

電壓比較器是一種常用的集成電路。它可用于V/F變換電路、A/D變換電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。

本次設(shè)計(jì)采用的比較器為LM258，LM258由兩個(gè)獨(dú)立的高增益運(yùn)算放大器組成，用來完成濾波后信號(hào)波形的整形與放大。LM258的主要特點(diǎn)有：1) 可在單電源或雙電源條件下工作；2) 電源的電流消耗大小與電源電壓無關(guān)；3)一個(gè)封裝內(nèi)有兩個(gè)經(jīng)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器；4) 邏輯電路匹配；5) 功耗??；6) 頻率范圍寬。應(yīng)用范圍有變頻放大器、DC增益部件和其他常規(guī)運(yùn)放電路。其功能框圖與管腳如下：

圖6 功能框圖

經(jīng)由濾波整形后的力矩信號(hào)為平整的方波信號(hào)，該方波信號(hào)可傳輸至電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的比例助力控制。

2.4 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

傳感器電路工作過程中需要提供穩(wěn)定的電源，而鋰電池供電電壓為36 V，電路工作電壓通常為5 V，因此需要進(jìn)行降壓處理。

本次穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)采用LDO穩(wěn)壓芯片MIC5205-YM5，它是一款高效的線性穩(wěn)壓器，輸出噪聲極低，具有極低壓差和極低的接地電流。MIC5205的管腳4-BYP是旁路參考端，連接至芯片內(nèi)部參考電壓，在管腳4與接地端之間接一個(gè)容值為470pF電容可以降低內(nèi)部參考電壓，從而明顯降低輸出噪聲。其典型應(yīng)用電路圖如圖7所示。

圖7 MIC-5205典型應(yīng)用電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)時(shí)獲取應(yīng)變信號(hào)采集電路輸出的微小電壓，并將該微小電壓模擬量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)字量，再進(jìn)行無線傳輸。本次設(shè)計(jì)選用PIC系列PIC12F1822單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這一功能。

3.1 PIC12F1822芯片介紹

PIC單片機(jī)(Peripheral Interface Controller)是一種能夠開發(fā)和控制外圍設(shè)備的集成電路(IC)，其中的12F系列為采用nanoWatt XLP 技術(shù)的8/14 引腳閃存單片機(jī)，具有體積小，輸入輸出接口簡單，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

PIC12F1822單片機(jī)的指令長度為12位，高性能RISC CPU指令簡潔，學(xué)習(xí)者僅需掌握49條指令。其自帶自動(dòng)現(xiàn)場保護(hù)的中斷功能，靈活的32 MHz的振蕩器結(jié)構(gòu)出廠精度為±1%。

該芯片的正常工作電壓為1.8～5.5 V，正常工作環(huán)境溫度為-40～105 ℃，儲(chǔ)存狀態(tài)溫度-65～+150 ℃，在軟件控制下可實(shí)現(xiàn)芯片自編程。外設(shè)特性主要有：具有7個(gè)I/O引腳和一個(gè)輸入的引腳，Timer0的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器帶有8位預(yù)分頻器，Timer1為增強(qiáng)型，且?guī)в?6位定時(shí)器和專用低功耗32 kHz振蕩器，采用外部門控輸入，Timer2的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器包括8位的周期寄存器、預(yù)分頻器及后分頻器，通用同步/異步收發(fā)器為增強(qiáng)型等。芯片基本特性與參數(shù)滿足本文的設(shè)計(jì)要求。

3.2 V-F轉(zhuǎn)換主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)處理外接模擬量時(shí)需要一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，一般稱為ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。ADC的重要參數(shù)有精度和分辨率。PIC12F1822采用10位分辨率，最多8路通道，帶有正負(fù)參考電壓選擇的5位軌到軌電阻式DAC。參考電壓模塊具有1.024 V、2.048 V 和4.096 V 的輸出電壓的固定參考電壓(fixed voltage reference， FVR)，主程序設(shè)置正參考電壓為4.096 V。圖8為主程序流程圖。

圖8 主程序流程圖

1) 初始化設(shè)置。

void Delay(unsigned loop) //延遲Delay()副程序，以MCU主頻計(jì)算時(shí)間進(jìn)行200次的延遲，16Mhz/200=80Khz=12.5us延遲

{

u8 i; //Delay()內(nèi)部副程式定義的i參數(shù)

while(loop--)

{

CLRWDT();

for(i=0; i<200; i++) {};

}

}

2) 參數(shù)定義。

define O_PPG RA2 //pulse輸出端口, 對(duì)應(yīng)PIC12F1822晶片第5腳位

define I_EN_CAL RA1 //觸發(fā)校正的外部端口定義，對(duì)應(yīng)PIC12F1822晶片第6腳位

define C_TIMER0_CNT 220 // pulse high輸出高

define C_AD_LEFT 3//定義讀取電壓訊號(hào)的AD端口，定義為AN3, 對(duì)應(yīng)電路圖的PIC12F1822晶片第3腳位 RA4

define C_V_BASE (u16)((1024/4.096)*0.65)

// 1024/4.096*0.65=163

define C_MAX_HZ (f32)(450.0f)

// 450 Hz ( 4.5V)

define C_MIN_HZ (f32) (50.0f)

// 50 Hz ( 0.5V)

define C_V_REF (f32)(1024/409.6)

// 10bit/Ref (Ref = 4.096V)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

力矩測量系統(tǒng)研制完成后，需要對(duì)軟硬件功能進(jìn)行測試。關(guān)鍵性能測試結(jié)果如下。

1) 外部電路濾波整形功能測試：

圖9～11為外部信號(hào)接收處理電路得到的波形圖。圖9表示將黃色的混合信號(hào)中的高頻信號(hào)過濾，只保留64.94 Hz的低頻信號(hào)；圖10，11表示先將低頻信號(hào)反向放大，接著經(jīng)過LM258比較器進(jìn)行整形，再反向放大為平整的方波信號(hào)。從圖中可以看出，波形處理效果較好，滿足測試系統(tǒng)的要求。

圖9 過濾高頻信號(hào)保留低頻信號(hào)

圖11 LM258比較后反向

2) 力矩輸出結(jié)果標(biāo)定：

本文使用臺(tái)式虎口鉗對(duì)傳感器所在中軸進(jìn)行固定，穩(wěn)壓電源對(duì)力矩傳感器進(jìn)行5 V供電，使用4級(jí)精度且扭力范圍在10～110 Nm的高精度扭力扳手對(duì)中軸進(jìn)行加載，測量系統(tǒng)的輸出頻率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 力矩測量結(jié)果

由表1測試數(shù)據(jù)可知，理論輸出頻率與實(shí)際輸出頻率的相對(duì)誤差低于0.5%，精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 力矩信號(hào)輸入輸出線性擬合分析:

圖12 力矩測量傳感器頻率-力矩標(biāo)定圖

圖12表明實(shí)際輸出頻率與加載的力矩具有良好的線性關(guān)系，擬合度較好，該力矩測量系統(tǒng)測量效果符合預(yù)期。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有的助力自行車力矩測量傳感器成本高、傳感器安裝空間局促以及無法在中軸旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行有線供電與信號(hào)傳輸?shù)膯栴}，通過將應(yīng)變檢測技術(shù)和無線傳輸技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的助力自行車中軸力矩測量系統(tǒng)。經(jīng)過理論分析、軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的基于應(yīng)變檢測技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的力矩測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、工作穩(wěn)定、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)助力自行車在復(fù)雜工作環(huán)境下力矩的測量，具有較好的市場空間和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。