一種智能助力車力矩感測系統設計與實現

摘 要： 針對目前助力車力矩感測系統開發難度大、成本高等問題，設計一種基于敏感元件的新型助力車力矩感測系統。以敏感元件電阻應變片為核心的力矩傳感器、以差分放大和A/D轉換電路為主的信號處理單元、以低功耗無線射頻芯片CC1110為核心的數據處理及無線收發單元等部件置于助力車中軸，實現力矩信號的采集；軟件上運用加權遞推平均濾波增強數據采集的穩定性，采用零點補償和最小二乘法擬合矯正來確保數據的采集精度。利用感應耦合供電和無線數字傳輸技術實現了對位于中軸力矩采集部件電能與信號的非接觸傳輸。最后在模擬實際騎行的基礎上對系統的精度及耐久性進行了測試，結果表明，該系統工作穩定，測量精度較高，在20 000 km測試范圍內，滿量程誤差小于1%，具有很好的推廣價值。

關鍵詞： 智能助力車； 力矩傳感器； 最小二乘法； 無線傳輸

中圖分類號： TN925+.91； TN710.2 文獻標識碼： A 文章編號： 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的純電機助力車相比有著明顯的不同，純電機助力車是通過調速手把單向控制車速，而智能助力車是通過實時感測騎車人施加在踏板上的力矩大小來感知車輛行駛狀態，利用電機助力實現“智能騎行”[1]。隨著人們綠色環保、節能減排以及健身意識的增強，從純電機助力車向智能助力車轉型是必然趨勢。力矩感測系統作為騎行狀態感知的核心系統，是智能助力車研究的關鍵。目前，國內對智能助力車的研究和推廣仍處于起始階段，市場上多數助力車力矩感測系統，是利用兩對線性霍爾傳感器，將騎行過程中的力矩信號按比例轉換為相位差信號后進行測量[2?3]。該方案機械結構較為復雜，對安裝精度有著很高的要求，若助力車在后期使用過程中出現較為強烈的振動，如意外碰摔，容易導致霍爾傳感器移位，產生力矩信號檢測的漂移。在歐美、日本等國家智能助力車已經擁有一定規模的市場，但因價格、工藝等因素，很難打開國內市場。例如，德國BOSCH公司開發的助力車力矩感測系統采用基于逆磁致伸縮效應的力矩傳感器，具有機械結構簡單、可靠性較強等優點，但逆磁致伸縮材料在國內應用開發及產業化還處于起步階段[4]，系統開發難度大、成本高，難以在國內推廣使用。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用于助力車感測系統，但此類傳感器均暴露在外界環境中，容易受環境濕度、濕度影響，穩定性較差[6]。

本文在研究和分析了國內外已有的幾種智能助力車力矩感測系統的基礎上，設計并實現了一種基于非接觸感應耦合供電、應變片傳感器技術和無線數字傳輸技術的助力車力矩感測系統。該系統具有工作穩定，信號采集精度較高、耐久性強等特點。

1 系統方案設計

系統總體設計如圖1所示，系統主要分為兩個模塊：一是用于實時獲取力矩信號的力矩采集模塊，它置于助力車腳踏輪盤的軸承內，在騎行者騎行過程中隨著中軸一起轉動；二是用于接收力矩信號的力矩接收模塊，它固定于助力車的牙盤下，與助力車電機控制器相連。力矩采集模塊在工作過程中處于旋轉狀態，其電能供應和信號傳輸均采用無線方式實現：力矩采集模塊利用松耦合變壓器模型接收來自力矩接收模塊的電能，并通過CC1110無線發射單元將力矩信號發送至力矩接收模塊。力矩接收模塊利用感應耦合方式為力矩采集模塊提供電能，同時將無線接收到的力矩信號通過微控制器CC1110串口發送至助力車電機控制器主控芯片，電機控制器根據力矩信號大小控制電機輸出功率，實現智能助力。

2 系統硬件電路設計

根據系統功能設計的需求，力矩采集模塊硬件主要由無線供電副邊電路、力矩傳感器、力矩信號處理單元電路和CC1110無線發射單元電路組成。力矩信號接收模塊由電源模塊、無線供電原邊電路和CC1110無線接收單元電路組成。

2.1 無線供電單元設計

力矩信號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降壓穩壓芯片LM2576將36 V電壓轉為穩定的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耦合的方式為力矩采集模塊傳輸電能。感應耦合供電的原理是通過高頻交變電流驅動原邊繞組，使其在周圍空間內產生高頻變化的電磁場，位于該電磁場中的副邊繞組由于磁通量的變化產生感應電動勢，經整流穩壓后得到具有一定負載能力的直流電[7]。經測試可知，力矩信號采集模塊的工作電壓為5 V，工作電流約為25 mA。綜合考慮系統機械結構、體積尺寸以及所需工作電壓、電流等需求，設計無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方波調制發生器集成芯片和TI公司的開光型穩壓芯片TPS560200。XTK?510的功率輸出引腳OUT產生頻率為200 kHz的方波信號，經LC振蕩后在原邊繞組中產生200 kHz高頻交變電流。副邊繞組感應交變電流經二倍壓整流后輸入穩壓芯片TPS560200，輸出穩定的5 V直流電供力矩信號采集模塊工作。為了減小功率損耗，提高電能傳輸效率，采用原邊并聯?副邊并聯補償（PP）方式進行諧振補償[8] 。原邊繞組纏繞在助力車中軸的外骨架上靜止不動，其匝數為12匝，直徑為45 mm；副邊繞組纏繞在中軸內骨架上，隨著中軸一起旋轉，其匝數為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骨架外，這種設計結構簡單可靠，在組裝拆卸時不會對中軸的旋轉部件造成任何影響。

經實驗測得，當供應電壓為5 V時，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 力矩傳感器設計

由助力車機械結構可知，當騎行者騎行助力車時，施加的力矩首先從助力車左右側踏板傳遞至曲柄軸，繼而由曲柄軸傳遞至中軸，中軸受力將產生微小形變。如圖3所示，選用型號為FCT?2?350?11的電阻應變片，在中軸指定位置同一截面處黏貼4塊應變片，應變片與軸線分別成45°和135°，構成惠斯通電橋。當中軸受力發生應力變化后，電橋電阻的變化率[ΔRR]與中軸受力大小呈正比關系，中軸上微小的應力變化將改變電橋的平衡狀態，通過惠斯通電橋將電阻改變量轉變為mV級的差動電壓信號。

2.3 力矩信號處理單元設計

力矩傳感器輸出的信號是mV級的微弱電信號，CC1110無線發射單元不能直接識別獲取，該信號需經信號放大電路后再經A/D轉換電路處理為數字信號，然后送入微控制器CC1110。放大電路和A/D轉換電路原理圖如圖4所示。

本文選用ADI公司的ADA4528作為運算放大器，對力矩傳感器的輸出信號采用差分放大，有效抑制了共模信號，提高了信號的準確性。考慮到力矩傳感器的輸出電壓信號范圍和測量精度要求，設計電路放大倍數A=107倍。為提高放大倍數的精度，圖4中R1，R2，R3均采用[1‰]的高精密電阻。

A/D轉換電路采用ADI公司的AD7171芯片，AD7171是一款極低功耗、16位數模轉換器，輸出數據速度為125 Hz，建立時間為24 ms。經放大電路放大后的電壓信號差分輸入AD7171的AIN+和AIN-引腳，實現模擬數據采集。AD7171的輸出碼通過數據輸出引腳DOUT、時鐘引腳SCLK以及復位引腳PDRST與微控制器CC1110通信，AD7171使用偏移二進制編碼，模擬輸入電壓的輸出碼可以表示為：

2.4 無線收發單元電路設計

無線收發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）。CC1110集成了一個標準的增強型C8051內核和一個無線收發器，集數據無線收發和處理于一體，減小了設計尺寸、簡化了系統結構。CC1110可直接通過DMA方式實現射頻收發的數據在存儲器中的存取，減輕了CPU的負荷。CC1110最小系統包括電源、晶振、寫入、復位及射頻電路。

3 系統軟件設計

3.1 非線性軟件矯正方法及實現

由于力矩傳感器的電阻應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，需通過軟件方式實現矯正[9]。本文選用曲線擬合法實現對力矩傳感器的非線性校正。惠斯通電橋的輸出電壓U和作用在踏板上的力矩M模型可表示為：

通過實驗可知，在平坦道路上正常騎行時助力車中軸所受力矩約20 N·m，在爬坡時的力矩約80 N·m，由此設定正常力矩采集范圍為0～95 N·m。在標定實驗中，采用靜態力矩測量方法，即將助力車牙盤固定不動，通過高精度扭力扳手去扳動助力車中軸，記錄扭力扳手的力矩值和力矩采集模塊的電壓輸出值。在測量過程中，力矩采集模塊通過無線方式將電壓信號發送至力矩接收模塊，力矩接收模塊的微控制器CC1110通過串口與PC機通信，讀出相應標定點電壓值。將力矩值從0開始，每次增加5 N·m，共采集20個標定點數據，為了保證矯正點數據的精確，將每個矯正點的五個數據取平均，見表1。利用Matlab的最小二乘法多項式擬合函數polyfit進行擬合，計算出a0=-0.466，a1=2.436，a2=-0.396，得到力矩M和電壓U的關系式：

由于焊接、工藝、器件精度等因素的影響，力矩傳感器在實際工作中，即使處于非受力狀態，其電橋也會處于不平衡狀態，有著微弱的零位輸出[9?10]，這種誤差會使助力車產生自啟動現象，存在一定的安全隱患，需通過軟件輔佐實現零點補償。零點補償的方式是：在力矩傳感器未受力的條件下，記錄當前的漂移電壓值，并將該值存儲在單片機FLASH中，在正式工作運行時，自動減去該漂移值，實現清零矯正。

采集信號經零位補償后，將得到電壓值U代入式（6），實現非線性矯正，將得到相應的力矩值通過DMA方式交由RF發射模塊進行無線發送。考慮到實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、處理及無線發送20次力矩信號。

3.3 CC1110無線接收單元軟件設計

CC1110無線接收單元在完成系統初始化后，進入RF接收模式。在接收到數據后，檢查數據的源地址和目標地址與發射單元設定的是否一致：若不一致，則直接丟棄；若一致，則對數據進行判斷。若力矩值范圍在0～95 N·m之間，則將數據通過串口發送至電機控制器；若力矩值范圍不在該范圍內，則異常計數器ErrorCount累加1。若ErrorCount的值超過預先設定的閾值，則認定系統異常或助力車處于非正常使用狀態，CC1110發送錯誤信息給電機控制器，提醒用戶及時檢查維修。

4 系統測試方法及結果

為了測試系統性能和實際應用的可行性，本項目組自主開發了一套針對于助力車力矩感測系統的基于Lab?VIEW的測試平臺，測試平臺硬件系統如圖6所示，包括車用齒輪、鏈條、伺服電機（三菱HF?SN102（B）J?S100）、標準力矩傳感器（九鼎LDN?08D）以及磁粉制動器。伺服電機帶動齒輪及鏈條，模擬實際的騎行施力；磁粉制動器模擬助力車騎行過程中的負載；標準力矩傳感器提供標準的力矩信號與測試結果進行對比。針對系統的測量精度和耐久性進行綜合測試，測試方法如下所述。

4.1 精度及耐久性測試方法

由于在實際騎行過程中，助力車中軸受力呈周期性變化，其變化規律大致滿足正弦波形[11]。為了模擬實際騎行環境，負載采用周期為2 s的正弦波加載方式，變化范圍為0～95 N·m，齒輪轉速為20 km/h。力矩接收模塊固定于測試系統的牙盤下，將無線接收到的力矩信號由數據采集卡采集處理后發送到工控機，由Lab?VIEW上位機軟件進行顯示及保存，并與標準力矩傳感器進行比較，得到滿量程誤差δ，滿量程誤差δ可表示為：

由測試數據可知，由于力矩傳感器電阻應變片的衰減，感測系統精度隨測試里程數增加呈現微弱下降趨勢，在20 000 km耐久測試內，測量精度穩定在0.3%FS～0.8%FS，滿足實際使用需求。

5 結 語

針對目前智能助力車的發展狀況及現有助力車力矩感測系統的特點，將無線供電技術、應變片傳感器技術、無線數字通信技術相結合，利用微處理器的軟件補償矯正能力，提出并設計了一種新型助力車力矩感測系統。由于助力車的使用環境復雜多變，將力矩采集模塊隱藏在中軸內，在美觀的同時有效避免了因車體震動、水分和塵土等環境因素所帶來的影響。測試結果表明，該系統具有工作穩定、測量精度高、耐久性強等特點，滿足助力車力矩感知的實際應用需要，為智能助力車力矩感測的發展和完善提供了一種技術選擇。

參考文獻

[1] Wikipedia. Electric bicycle [EB/OL]. [2012?11?19]. http：//en.wikipedia.org/Wikipedia.org/wiki/Electric_bicycle.

[2] 夏靜滿，肖國強，韓鵬，等.基于霍爾元件的電動車力矩傳感系統設計[J].自動化與儀器儀表，2015（4）：81?82.

[3] 蔡華林.基于扭矩傳感器的助力自行車中置系統的設計與開發[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[4] 張文毓.磁致伸縮智能材料研究進展[J].傳感器世界，2009（2）：11?14.

[5] ID bike. TMM sensor unit [EB/OL]. [2012?01?12]. http：//www.idbike.com/tmm?powermanagement.htm.

[6] Thun. Sensor technology： the sensory inner bearings [EB/OL]. [2010?05?09]. http：//www.thun.de/en/products/sensor?technology.

[7] 丁闖，趙永東，江鵬程，等.非接觸感應供電技術及其在扭矩測試中的應用[J].現代電子技術，2013，36（3）：154?157.

[8] INAGAKI N. Theory of image impedance matching for inductively coupled power transfer system [J]. Microwave theory and techniques， 2014， 62（4）： 901?908.

[9] 朱玉田，陳曉，劉釗.電阻式位移傳感器非線性矯正[J].中國工程機械學報，2015，13（4）：363?366.

[10] 王改云，胡志強，周愛霞.高精度電阻應變式無線壓力變送器應用設計[J].測控技術與儀器儀表，2014，40（1）：68?71.

[11] 朱麗婭.基于LabVIEW的助力自行車中置系統的測試平臺設計與開發[D].蘇州：蘇州大學，2014.