卞剛

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的交通方式，人們的出行選擇越來越多，盡管這些交通方式的出現(xiàn)極大便捷了人們的生活，但它們也對環(huán)境造成了極大的污染。像汽車、飛機的尾氣沒有經(jīng)過處理就排放到大氣層中，污染空氣，嚴重的話甚至會引發(fā)呼吸道疾病。還有摩托車和電動車數(shù)量的增加，也使得道路噪聲增加，加上其騎行速度快，制動性能差，安全性能低，交通事故的發(fā)生率也越來越高。電動助力自行車以其綠色環(huán)保、健康、經(jīng)濟的特性不斷地成為人們追求的健身和交通工具[1-2]。電動助力車之所以和傳統(tǒng)電動車不同，在于它的核心零部件力矩傳感器[3]。力矩傳感器是電動助力車的控制系統(tǒng)，而主要運行方式是人力和電機相結合，當人開始踩踏電動助力車后，力矩傳感器傳遞出力矩信號，帶動電機的運轉，它的速度不會高于傳統(tǒng)電動車的平均速度。由于采用這樣新型的運行方式，電動機的工作效率也會大大提高。

1 力矩傳感器的研究與設計

1.1 力矩傳感器的機械設計

力矩傳感器示意圖如圖1 所示。電動助力車力矩傳感器的核心在于中軸，中軸在殼體內(nèi)，殼體分為第1 殼體和第2 殼體，并且中軸左端配有左軸承。中軸右端也配有右軸承，右軸承內(nèi)孔設有齒輪件，其內(nèi)孔配有齒輪內(nèi)孔軸承。

圖1 力矩傳感器示意結構圖Fig.1 Schematic structure of torque sensor

齒輪內(nèi)孔軸承安裝在中軸右端，齒輪右端配有齒輪端面軸承，左軸承和右軸承安裝于殼體內(nèi)，靠近左軸承右端裝有一彈簧，一端抵住左軸承的右端，另一端抵住感應塊(永久磁鐵)，感應塊與滑塊相連，在感應塊對應部位配有電磁轉換傳感器。當腳踏板受力帶動齒輪件與滑塊相對運動，滑塊和感應塊產(chǎn)生直線位移，電磁轉換傳感器輸出相應信號，控制電動助力車電機輸出功率的大小及瞬時變化值。

1.2 力矩傳感器的測量原理

力矩傳感器是由4 個相同的橋臂電阻組成的惠斯通電橋，也就是電阻應變片[4]傳感器。為了計算出力矩大小和應變片電阻變化之間的關系，要研究中軸表面處的某個單元體。施加一個法向應力和剪應力τ，當有踩踏力時，處于表面的最大拉應力σ1和最大壓應力σ2滿足如下關系式：

當測量力矩時，電阻應變片R1和R2分別黏附在軸與軸之間的兩個相互垂直的方向上。σ1=-σ2，R1和R2的應變ε1和ε2可表示為：

式中：v——泊松比；E——中軸彈性模量。

截面上的剪應力τ和軸上力矩M 的關系如下：

式中：M——作用在中軸上的力矩；W——中軸截面的抗扭模數(shù)。

根據(jù)式（2）、式（3），以R1計算，可得

從式（5）可知，中軸上的力矩M 和應變計的電阻阻值ΔR 有著一定的正比關系，我們就可以將電阻應變計黏附于中軸上來測其上的力矩大小[5]。

1.3 力矩傳感器的選擇

力矩傳感器最直接的作用就是測量腳踏力變化情況[6]。本設計所采用的應變片式傳感器是由4 個相同的可變電阻組成的全臂交流電橋電路。在電動助力車中軸表面指定位置處黏附上電阻應變計，當騎行者踩上電動車踏腳時，機械形變將會因為中軸的受力變形產(chǎn)生。因為有形變，就有應力，電橋橋臂上的電阻阻值也會變化，應變電橋就會因此失衡，會輸出一個很小的電壓信號，電壓信號跟力矩大小呈正比關系，然后這個信號會在之后的一系列電路中被處理，最終處理完成后輸出。

2 電動助力車的電路設計

2.1 信號放大電路

改變應變片式電橋電路的橋臂電阻值，可得到輸出電壓與電阻變化值之間的關系，但電阻變化值只是個微弱的變化量，它的電壓信號很小，單片機不能識別，因此要把這個信號進行放大[7]。本文采用INA128電壓信號放大電路，如圖2所示。

圖2 INA128 電壓信號放大電路Fig.2 INA128 voltage signal amplification circuit

2.2 內(nèi)部V-F 轉換電路

應變片中采集的電壓信號經(jīng)過放大之后，需要將電壓信號轉換成頻率信號，要用到單片機[8]的V-F 轉換功能。V-F 轉換電路如圖3 所示。

圖3 內(nèi)部V-F 轉換電路Fig.3 Internal V-F conversion circuit

2.2 外部F-V 轉換電路

內(nèi)外電路是通過線圈耦合來相互傳遞信號的，由內(nèi)部電路一系列處理之后的輸出信號經(jīng)線圈的耦合作用傳遞給外部線圈。在外部F-V 單片機轉換電路之前，接入了整流濾波電路和比較放大電路。在LC 諧振產(chǎn)生的磁場中接收到信號后，經(jīng)過一系列處理之后，將出現(xiàn)的高低方波傳遞到PIC 單片機中，進行F-V 轉換，得到電壓信號的輸出。信號處理圖如圖4 所示。

圖4 外部信號處理框圖Fig.4 External signal processing block diagram

在外部信號進行處理時，因單片機解析度不夠，不能得到所需要的輸出，因此在外部信號處理電路中，還需接入一個DAC 數(shù)模轉換器來提高F-V 轉換電路的解析度。外部F-V 信號處理電路如圖5 所示。

圖5 外部F-V 信號處理電路Fig.5 External F-V signal processing circuit

3 測試

簡單來說，整個力矩傳感器電路是力矩信號與電壓信號之間的轉變。將采集的力矩信號轉變?yōu)檩敵龅碾妷盒盘栔攸c在于單片機電路設計，因為要通過單片機的V-F 和F-V 轉換功能，這決定了輸出電壓信號能是否為0.6～5.0 V，經(jīng)測試，輸出電壓信號符合要求。CH1 為電壓輸出，CH2為頻率輸入。圖6 是使用示波器測量的CH1 與CH2 波形圖。由圖6 可知，DAC1011S101 輸出的最大電壓和輸出的最小電壓符合要求，電壓輸出范圍0.6～5.0 V。

圖6 測試波形圖Fig.6 Test waveform

4 結語

電動助力車因其綠色環(huán)保，安全系數(shù)高，已經(jīng)開始取代傳動電動車，成為人們短途出行的最佳選擇之一。電動助力車與傳統(tǒng)電動車最大的不同在于它有力矩傳感器。力矩傳感器類似于傳統(tǒng)電動車的旋轉把手，能夠控制電動助力車的運轉。電動助力車基于力矩傳感器而設計，采用“人力+電力”的模式。只要力矩傳感器接收到騎行者的踩踏力，就會帶動電動機工作，極大提高了電動機的效率。人們選擇電動助力車出行不僅能夠減少污染，還能夠鍛煉身體。