汽車EPS系統中聲表面波扭矩傳感器的天線設計

趙青青 孟旭 王春風

摘 要：? EPS系統是智能駕駛汽車不可或缺的組成環節，也是車身上安全級別最高的模塊之一，本文為了簡化EPS系統工作中實時動態扭矩測量系統的硬件組成，提高扭矩測量精度，降低響應時間，提出一種利用微帶天線作為信號傳輸天線的無源無線式聲表面波EPS扭矩測量系統。本文利用HFSS 15.0軟件對同軸底面饋電式微帶矩形天線結構進行三維建模、仿真優化，求解天線的最優結構尺寸，加工實物天線并搭建電動助力轉向系統扭矩測試試驗臺。研究結果表明，所設計的天線能夠滿足車輛轉向時的動態扭矩測量信號傳遞需求，便于布置，節省安裝空間，可以實現無線傳輸扭矩信號。本文研究內容可以為智能駕駛汽車的其余動態性能參數測量提供參考。

關鍵詞： EPS;聲表面波;無源無線;扭矩測量;微帶天線

中圖分類號 ：U463.4;TP212??? ?文獻標識碼 ：A?? ?文章編號 ：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

基金項目： 國家自然科學基金（51575097）;黑龍江東方學院橫向課題（HDFHX180110）

第一作者簡介： 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：聲表面波扭矩測量技術。E-mali：372933190@qq.com

引文格式： 趙青青，孟旭，王春風.汽車EPS系統中聲表面波扭矩傳感器的天線設計[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

電動助力轉向（EPS）系統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。車輛在行駛過程中不可避免地會遇到泥濘、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，這些復雜的行駛狀況對EPS系統在采集車輛轉向扭矩信號方面提出了苛刻的要求，既要求EPS系統在采集扭矩信號時的實時性與準確性，又要求扭矩測量系統可靠性要高，具有適應大范圍溫度變化及抗污染、抗電磁干擾等能力。

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

1 聲表面波扭矩測量原理

SAW扭矩測量方法是利用粘貼于轉軸上的聲表面波諧振器（SAWR）在扭矩發生時，其諧振中心頻率的變化量與扭矩的變化量成線性關系這一特點來實現扭矩測量的。典型的單端對SAWR結構如圖1所示。其具體工作原理是當天線接收到的激勵信號被叉指換能器（IDT）轉換成SAW沿基底表面向兩側傳播，經過反射柵加強與反射后在基底表面形成駐波，該駐波通過IDT轉換回電信號通過天線發送給閱讀器。通過該回波信號可以解析出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）

當轉軸在扭矩的作用下出現彈性變形時，會導致粘貼于軸上SAWR的SAW波速以及IDT結構發生改變，最終導致諧振頻率f0改變[12]。

由圖2可知，當彈性軸受到扭矩作用時，沿著軸線45°和135°兩個方向上會受到數值相等方向相反的拉應力σ1與壓應力σ3。如果按照這兩個方向以差分的形式布置兩個結構參數相同的SAWR1與SAWR2，可以通過檢測SAWR1與SAWR2的回波信號，獲取到兩個諧振頻率，最終通過諧振頻率的改變量與扭矩的對應關系得到具體的扭矩值。

2 微帶天線設計

2.1 設計指標的確定

通過分析SAW技術測量彈性軸扭矩的優勢以及測量扭矩的基本原理，本文擬針對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，設計一具有良好通信能力的信號傳輸天線。

已有研究對半波偶極子天線、小環天線、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的天線進行了分析[13-18]，本研究決定使用矩形微帶天線作為重點研究內容，因為與其他天線相比，矩形微帶天線是平面結構，結構簡單，易于加工且方便布置于EPS系統狹小的空間內，滿足工程上大批量生產的要求，而且微帶天線可以同時在多頻段工作，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構上比較復雜，但是其天線位置位于輻射層背面，不受天線輻射影響，且饋電點可以選擇在天線內的任意位置上，方便實現阻抗的匹配。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 天線參數求解

微帶天線由3部分構成，最底層的參考地、中間的介質層以及覆在介質層上的輻射元，具體結構如圖3所示。本文設計的微帶天線介質層采用FR4A1級覆銅板材料，厚度h=1.6 mm，介電常數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。

當考慮到邊緣縮短效應后，實際的輻射元長度L應為：

L= c f εe? -2ΔL。? （3）

式中：εe是有效介電常數;ΔL是等效輻射縫隙長度。它們分別可以通過下式計算得出：

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，這就意味著電場只在L方向上改變，而在w方向上保持不變，所以，當天線輸入阻抗為50 Ω時，饋電在L方向上的位置可以由下式計算得出：

Xf= L 2 ξre（L）? ??。 （6）

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

通過經驗公式計算所得的具體天線結構尺寸見表1。

2.3 天線參數優化及結果分析

在HFSS 15.0中建立一個新工程，將計算得出的所有天線參數初始值以變量的形式進行定義，可以為后續的結構參數優化節省大量的時間。除具體的結構參數，還需要設定軟件仿真時的分析類型為默認類型，模型的長度單位為mm。所建天線模型如圖4所示。

通過公式（1）—（7）可以清楚的發現，當天線的結構與材料固定后，諧振中心頻率與匹配阻抗只與輻射元的長、寬和介質層的厚度有關，通過HFSS 15.0軟件的優化仿真功能確定了中心頻率為920 MHz時的天線結構尺寸以及其重要性能參數的仿真結果，優化后的天線結構參數見表1。

采用表1中所優化后的相關天線結構參數，對天線參數進行二次建模并進行相關性能參數仿真求解，由圖5可知天線在920 MHz中心頻率處的回波損耗為-29.32 dB，相對帶寬（RBW）=（0.927 7-0.911 5）/0.920 0×100%=1.8%，大于0.1%的行業要求。由圖6的史密斯圓圖可以發現天線在920 MHz中心頻率處的S11參數為0.93，接近于理想值1。

3 系統性能測試

根據仿真優化結果，制作天線，如圖7所示。

為了進一步驗證所設計天線在EPS系統中利用SAW進行轉向扭矩測量的可行性，本文搭建了無線測量系統試驗臺，如圖8所示。

將無線測量系統安裝在EPS綜合性能測試試驗臺上，測試臺組成與結構如圖8所示。此時，操作人員順時針旋轉轉向盤，標準扭矩傳感器（海拉扭矩轉角傳感器）檢測到的扭矩值，會通過EPS系統性能指標監控臺上的電腦顯示界面呈現出來，采用無線測量系統得到的諧振頻率值，會通過扭矩測量系統監控臺轉變為電壓輸出信號在顯示界面呈現出來，當轉向盤達到極限位置時，改為逆向旋轉至極限位置，并往復旋轉數次。

圖9為SAWR1、SAWR2及傳統接觸可變電阻式EPS系統扭矩傳感器在EPS系統綜合性能測試試驗臺上進行測試后的輸出數據。圖9（a）是SAWR1在經過反復正向與逆向旋轉彈性軸后進行的輸出信號采樣，采樣點共5 000個，圖中階躍部分為外部輸入信號不穩造成的，與傳感器本身性能無關。圖9（b）是SAWR2的輸出信號采樣圖，采樣點同樣為5 000個。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采樣圖，采樣點為5 000個。

通過圖9（a）、（b）、（c）對比分析得知，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系統扭矩測量系統，在線性度、抗噪聲及輸出信號穩定性等方面均有著明顯的優勢。

4 結論

本文設計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、介質層、輻射元和射頻傳輸線組成。通過HFSS 15.0軟件進行了天線的三維結構建模與各可變參數的優化，加工天線實物。并將無線扭矩測量系統搭載于EPS綜合性能測試試驗臺上進行了系統試驗。

【參 考 文 獻】

[1]? 張碩，余強，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，儲江偉.扭矩測量方法現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備，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.一種基于霍爾效應的扭矩傳感器[J].傳感技術學報，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.軸系扭矩測量方法與發展趨勢[J].計測技術，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.電動助力轉向系統扭矩傳感器研究現狀與發展趨勢[J].傳感器與微系統，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.動態扭矩檢測技術研究[J].中國測試，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].武漢理工大學學報，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.聲表面波扭矩檢測研究[D].南京：南京航空航天大學，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的智能搶險救災機器人設計[J].林業機械與木工設備，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的設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，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在船舶推進主軸扭矩檢測的應用[J].艦船科學技術，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關鍵技術及其應用研究[D].南京：南京郵電大學，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計[J].物聯網技術，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變傳感器與檢測技術研究[D].北京：北京工業大學，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.傳感器在無人駕駛汽車中的應用研究[J].林業機械與木工設備，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展[J].化學傳感器，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.