基于無線傳輸?shù)闹ψ孕熊嚺ぞ貦z測系統(tǒng)*

陳創(chuàng)東，郭鐘寧，李偉健，田 君，劉君琰，張秋陽

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.東莞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東東莞 523808；3.廣東高標(biāo)電子科技有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

電動(dòng)助力自行車是一種以人力+電機(jī)助力復(fù)合驅(qū)動(dòng)的新型高科技綠色交通工具[1]，通過扭矩檢測系統(tǒng)感知人踩踏力矩的大小，通過算法理解騎行者的騎行意圖，智能控制助力電機(jī)輸出[2]。目前市場上的助力自行車使用的扭矩檢測元件，主要是逆磁致伸縮效應(yīng)傳感器、扭簧傳感器、后軸爪勾型傳感器[3]。其中逆磁致伸縮效應(yīng)傳感器精度高，但材料特殊，開發(fā)難度大，成本較高。霍爾效應(yīng)扭簧傳感器對(duì)安裝精度要求特別高，而且存在彈性元件一致性的問題，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移，從而精度不高。后軸爪勾型扭矩傳感器為壓力傳感器檢測原理，其只能測量單一的橫向壓力，力矩檢測的精度低[4]。

傳統(tǒng)的動(dòng)靜件間的能量與信號(hào)傳輸多采用導(dǎo)電滑環(huán)的傳輸方式[5]，通過電刷觸點(diǎn)與金屬環(huán)的相互摩擦傳遞能量與信號(hào)。該信號(hào)傳輸方法使用一段時(shí)間后電刷容易磨損，從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸功能失效[6]。本文針對(duì)現(xiàn)有助力自行車扭矩檢測系統(tǒng)精度不足、信號(hào)傳輸難度大等問題，提出一款基于應(yīng)變檢測原理和磁耦合諧振式無線傳輸原理的扭矩檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的電動(dòng)助力自行車扭矩檢測機(jī)構(gòu)測量精度更高，在信號(hào)傳輸方面避免了傳統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)因接觸副摩擦失效導(dǎo)致信號(hào)掉包或者傳輸失效等問題。

1 半導(dǎo)體應(yīng)變檢測原理

由電阻定律可知，一根長為L、截面積為A、電阻率為ρ的導(dǎo)體，其電阻表達(dá)式為：

當(dāng)導(dǎo)體兩端受到圖1所示的拉力F時(shí)，導(dǎo)體受力后橫向半徑縮小，縱向伸長，對(duì)式（1）進(jìn)行全微分，得出導(dǎo)體受力后的電阻R相對(duì)變化量為：

圖1 導(dǎo)體受拉力變形Fig.1 Deformation of conductor under tension

對(duì)于半徑為r的導(dǎo)體：

由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)：

式中：ε為導(dǎo)體的應(yīng)變；μ為材料的泊松比；E為材料彈性模量。

將式（3）~（6）代入式（2）可得：

令K=1+2μ+λE，則：

由式（8）可知，半導(dǎo)體材料的電阻變化與導(dǎo)體的應(yīng)變成正比，而惠斯通電路中輸出電壓與阻值有對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。

騎行者在踩踏腳踏的時(shí)候，由于扭矩作用，使中軸產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，導(dǎo)致應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化[8]。扭矩檢測電路將應(yīng)變檢測模塊的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓值輸出，從而將機(jī)械形變量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過扭矩值與電壓信號(hào)值輸出關(guān)系，便可檢測待測中軸的被施加扭矩的大小。

2 無線傳輸模塊

2.1 磁耦合諧振式無線傳輸原理

磁耦合諧振式無線傳輸是通過磁場的近場耦合，使接收線圈和發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，來實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的無線傳輸[9]。共振的條件是電源振蕩頻率與發(fā)送端、接收端電路固有頻率相同[10]，通過補(bǔ)償電路形成諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效非輻射能量傳輸，常用結(jié)構(gòu)為四線圈結(jié)構(gòu)[11]。

該無線傳輸模塊采用板載PCB繞制天線，感應(yīng)線圈分別位于定子板和轉(zhuǎn)子板上，定子板固定于箱體上并連接主控板，轉(zhuǎn)子板隨腳踏旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子板通過信號(hào)連接器與扭矩傳感器連接，并固定于中軸上隨中軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。定子板通過導(dǎo)線與主控板連接，固定于助力電機(jī)箱體上。由定子板產(chǎn)生的幅移鍵控（ASK）的方式，對(duì)定子板上主控芯片STM32F103C8T6產(chǎn)生控制信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，通過轉(zhuǎn)子板機(jī)構(gòu)在泰克示波器（DPO2012B）顯示電能波形及解調(diào)信號(hào)波形。所用擴(kuò)流芯片為TC7W04 FK，計(jì) 數(shù) 器∕分 頻 器 為74VHC4020FT，電壓比較芯片為FAN156。控制信號(hào)速率為32 kbit∕s，無線通訊系統(tǒng)諧振頻率為31.25 kHz。

圖2 無線傳輸模塊Fig.2 Wirelesstransmission module

2.2 模塊整體原理

模塊原理如圖3所示，主控板向定子板提供5 V電源，定子板通電后晶振開始工作，經(jīng)過計(jì)數(shù)器進(jìn)行512分頻產(chǎn)生32 K時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)用于定子板與主控板之間SPI的通訊時(shí)鐘。主控板檢測到時(shí)鐘信號(hào)后，發(fā)送讀取傳感器數(shù)據(jù)的信號(hào)至定子板，定子板調(diào)制電路將數(shù)據(jù)調(diào)制到諧振線圈1上，諧振線圈1將數(shù)據(jù)耦合至諧振線圈2，轉(zhuǎn)子板解調(diào)電路將數(shù)據(jù)解調(diào)出來發(fā)送給扭矩傳感器，該過程為稱為上行鏈路。扭矩傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)的過程與上面主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程類似，稱為下行鏈路。

圖3 模塊原理Fig.3 Moduleschematic diagram

2.3 無線傳輸硬件原理

無線傳輸模塊由定子板和轉(zhuǎn)子板組成，定子板通過底層的線圈與轉(zhuǎn)子板底層的線圈實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸與數(shù)據(jù)交換，以下介紹定子板和轉(zhuǎn)子板的硬件組成。

2.3.1 定子板模塊

定子板主要包括6大模塊：晶振電路、時(shí)鐘電路、功率發(fā)射電路、諧振線圈、數(shù)據(jù)調(diào)制電路、數(shù)據(jù)解調(diào)電路。

晶振模塊是通過16.384 M的無源晶體加一個(gè)單通道的非門以及外圍器件組成。時(shí)鐘電路利用計(jì)數(shù)器分頻，計(jì)數(shù)器應(yīng)用為清零法，清零口由主控MCU控制。

功率發(fā)射電路將16.384 MHz的方波信號(hào)通過6路非門并聯(lián)進(jìn)行電流放大，放大后經(jīng)過一級(jí)LC濾波，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)，調(diào)送至定子板線圈，電路如圖4所示。

圖4 定子板功率發(fā)射電路Fig.4 Power transmittingcircuit of stator plate

功率發(fā)射電路濾掉高頻次諧波，只留下方波信號(hào)基波。L10電感選取330 nH的疊層電感，濾波電容C21和C26分別為240 pF和39 pF。選取兩個(gè)電容并聯(lián)的目的是方便調(diào)節(jié)電容值。ANT1為發(fā)射邊振蕩器，通過PCB底層的繪制圖案形成。L11與ANT1實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振電感值匹配，利用天線ANT1與空間的寄生電容產(chǎn)生諧振，L11需選取繞線電感。隔直電容作用為濾除信號(hào)里面的直流分量，將濾掉后的信號(hào)加至振蕩器ANT上。

諧振電路結(jié)構(gòu)為LC震蕩電路，將發(fā)射邊震蕩器ANT1的電壓幅值增大，提高定子板與轉(zhuǎn)子板之間的能量傳輸?shù)男省ｋ娐啡鐖D5所示。

圖5 定子板諧振電路Fig.5 Stator plateresonant circuit

調(diào)制電路通過雙MOS管開關(guān)改變振蕩器ANT1線圈回路的阻抗使ANT1網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)幅值發(fā)生變化，該調(diào)制方式為幅移鍵控（ASK）。電路如圖6所示。

圖6 定子板調(diào)制電路Fig.6 Stator platemodulation circuit

解調(diào)電路是將ANT3耦合至ANT1網(wǎng)絡(luò)上幅值不相等的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)包括傳感器返回的扭矩?cái)?shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解調(diào)電路包括倍壓電路、包絡(luò)檢測電路、LC濾波電路、直流偏置電路、參考電壓電路。電路如圖7所示。

圖7 定子板解調(diào)電路Fig.7 Demodulatingcircuit of stator plate

2.3.2 轉(zhuǎn)子板模塊

轉(zhuǎn)子板主要包括6大模塊：電源電路、時(shí)鐘電路、傳感器使能電路、功率接收電路、數(shù)據(jù)調(diào)制電路、數(shù)據(jù)解調(diào)電路、諧振線圈。

電源電路將能量接收感應(yīng)線圈的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，通過降壓電路降壓至+3.3 V，為后級(jí)的電路提供電能。電源電路主要包括全橋整流電路和降壓穩(wěn)壓電路兩部分。

時(shí)鐘電路利用計(jì)數(shù)器分頻，計(jì)數(shù)器應(yīng)用為清零法，清零口由555觸發(fā)器的輸出控制。高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器一直處于清零狀態(tài)，此時(shí)時(shí)鐘輸出一直為零，此時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。低電平時(shí)，產(chǎn)生31.25 K的時(shí)鐘，此時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

ANT3網(wǎng)絡(luò)上包含傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)和傳感器的使能信號(hào)。傳感器使能電路將ANT3網(wǎng)絡(luò)上的使能信號(hào)解調(diào)出來，其電路圖如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子板使能電路Fig.8 Rotor platesensor enablecircuit

功率接收電路由轉(zhuǎn)子板底層線圈ANT3、并聯(lián)的諧振電容C28、隔直電容C29組成，接收來自定子板線圈發(fā)出的數(shù)據(jù)，其電路如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子板功率接收電路Fig.9 Power receiving circuit of rotor board

數(shù)據(jù)調(diào)制電路將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，利用雙NMOS改變ANT3線圈上的耦合電容的大小。電路如圖10所示。當(dāng)傳感器工作時(shí)，輸出高電平，U4的輸出也為高電平，U5的兩個(gè)MOS同時(shí)被打開，C2并入ANT3的網(wǎng)絡(luò)，改變ANT3網(wǎng)絡(luò)的諧振電容的容值，使ANT3網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率偏移基頻信號(hào)的頻率。定子板與轉(zhuǎn)子板之間的耦合變化差使定子板的ANT1網(wǎng)絡(luò)幅值發(fā)生變化。

圖10 轉(zhuǎn)子板數(shù)據(jù)調(diào)制電路Fig.10 Rotor board data modulation circuit

解調(diào)電路是將ANT1耦合至ANT3網(wǎng)絡(luò)上幅值不相等的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)是主控MCU發(fā)給傳感器讀取指令的信號(hào)。解調(diào)電路主要包括4部分：倍壓電路、包絡(luò)檢測電路、直流偏置電路、參考電壓電路。電路如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)解調(diào)電路Fig.11 Datademodulation circuit

2.4 無線傳輸性能測試

在硬件電路設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行相應(yīng)的無線傳輸性能測試實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果如圖12所示。左圖中當(dāng)定子板通過功率發(fā)射電路向轉(zhuǎn)子板發(fā)送信號(hào)時(shí)，經(jīng)過調(diào)幅，轉(zhuǎn)子板成功接收信號(hào)。右圖中當(dāng)轉(zhuǎn)子板向定子板發(fā)送信號(hào)時(shí)，經(jīng)過調(diào)幅，定子板成功接收信號(hào)，證明了該無線傳輸方案的可行性。

圖12 無線能量傳輸性能測試Fig.12 Wirelessenergy transmission performancetest

3 扭矩檢測系統(tǒng)的標(biāo)定與實(shí)車實(shí)驗(yàn)

3.1 扭矩檢測系統(tǒng)的標(biāo)定

設(shè)計(jì)的扭矩檢測系統(tǒng)在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，通過標(biāo)定試驗(yàn)求解出傳感器輸出電壓與助力自行車中軸扭矩的關(guān)系[12]。

扭矩傳感器標(biāo)定的是將一個(gè)純扭矩加到被標(biāo)定的扭矩傳感器的承載面上，采用“力×力”臂的靜態(tài)標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)標(biāo)定是指在無加速度、振動(dòng)與沖擊，環(huán)境溫度為室溫（20±5℃），相對(duì)濕度小于85%，大氣壓力為101.32±7.999 kPa的環(huán)境下進(jìn)行傳感器相關(guān)性能標(biāo)定。主要用到的設(shè)備是自設(shè)計(jì)的標(biāo)定設(shè)備，如圖13所示，將扭矩檢測系統(tǒng)置于恒溫恒濕恒壓的工作空間內(nèi)，將其套裝在力臂軸上，外部力臂上裝有砝碼盤，外部力臂加載的扭矩為T：

圖13 扭矩傳感器標(biāo)定裝置Fig.13 Torquesensor calibration device

式中：T為扭矩，N·m；m為標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，kg；l為力臂的長度，m。

標(biāo)定采用等間距加砝碼的方法，測量扭矩傳感器經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)后讀取的電壓值，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 扭矩傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 Torquesensor calibration data

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合：

由擬合數(shù)據(jù)與圖14所示的擬合曲線可知，本扭矩測量系統(tǒng)的扭矩輸入與電壓值輸出線性度0.99%，決定系數(shù)R2=0.9997，表明其擬合程度高，比傳統(tǒng)扭矩檢測精度高，可用于電動(dòng)助力自行車的扭矩檢測中。

圖14 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Fig.14 Sensor calibration data

3.2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證扭矩檢測系統(tǒng)方案的可靠性，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖15所示。通過采集騎行過程中的扭矩傳感器數(shù)據(jù)，驗(yàn)證無線傳輸是否有數(shù)據(jù)傳輸丟包現(xiàn)象，騎行者騎行過程均勻踩踏腳踏，采集數(shù)據(jù)的頻率為100個(gè)∕s，在程序中設(shè)置記錄時(shí)間為2 min，總記錄數(shù)據(jù)應(yīng)為12 000個(gè)。

圖15 實(shí)車實(shí)驗(yàn)Fig.15 Real vehicle test photograph

實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)如圖16所示，理論采集數(shù)據(jù)量與實(shí)際采集數(shù)據(jù)量均為12 000個(gè)，說明本無線傳輸方案穩(wěn)定可靠，無數(shù)據(jù)丟包。同時(shí)，李濤指出，當(dāng)人均勻力踩踏踏板的時(shí)候，中軸的扭矩值是類正弦的輸出值。在獲取數(shù)據(jù)后，截取前900位數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，數(shù)據(jù)如圖所示，可知本實(shí)驗(yàn)的曲線是一個(gè)類正弦圖線，由此驗(yàn)證了扭矩檢測系統(tǒng)的可行。

圖16 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.16 Experimental datachart

4 結(jié)束語

現(xiàn)有的助力自行車在檢測騎行者扭矩方面普遍存在精度低、自行車腳踏旋轉(zhuǎn)中軸與靜止主控板之間無法高效穩(wěn)定傳輸信號(hào)與能量等問題。本文通過應(yīng)變檢測技術(shù)與磁耦合諧振無線傳輸技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款助力自行車扭矩檢測系統(tǒng)。經(jīng)過理論分析、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)車驗(yàn)證，證明了該扭矩檢測系統(tǒng)具有檢測可靠，精度高、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。