用于電動(dòng)助力車的力矩傳感器電路設(shè)計(jì)

卞剛

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)環(huán)境造成了極大的污染。像汽車、飛機(jī)的尾氣沒有經(jīng)過處理就排放到大氣層中，污染空氣，嚴(yán)重的話甚至?xí)l(fā)呼吸道疾病。還有摩托車和電動(dòng)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(dòng)性能差，安全性能低，交通事故的發(fā)生率也越來越高。電動(dòng)助力自行車以其綠色環(huán)保、健康、經(jīng)濟(jì)的特性不斷地成為人們追求的健身和交通工具[1-2]。電動(dòng)助力車之所以和傳統(tǒng)電動(dòng)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(dòng)助力車的控制系統(tǒng)，而主要運(yùn)行方式是人力和電機(jī)相結(jié)合，當(dāng)人開始踩踏電動(dòng)助力車后，力矩傳感器傳遞出力矩信號(hào)，帶動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，它的速度不會(huì)高于傳統(tǒng)電動(dòng)車的平均速度。由于采用這樣新型的運(yùn)行方式，電動(dòng)機(jī)的工作效率也會(huì)大大提高。

1 力矩傳感器的研究與設(shè)計(jì)

1.1 力矩傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)

力矩傳感器示意圖如圖1 所示。電動(dòng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)塊(永久磁鐵)，感應(yīng)塊與滑塊相連，在感應(yīng)塊對(duì)應(yīng)部位配有電磁轉(zhuǎn)換傳感器。當(dāng)腳踏板受力帶動(dòng)齒輪件與滑塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滑塊和感應(yīng)塊產(chǎn)生直線位移，電磁轉(zhuǎn)換傳感器輸出相應(yīng)信號(hào)，控制電動(dòng)助力車電機(jī)輸出功率的大小及瞬時(shí)變化值。

1.2 力矩傳感器的測(cè)量原理

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

當(dāng)測(cè)量力矩時(shí)，電阻應(yīng)變片R1和R2分別黏附在軸與軸之間的兩個(gè)相互垂直的方向上。σ1=-σ2，R1和R2的應(yīng)變?chǔ)?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(yīng)力τ和軸上力矩M 的關(guān)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(jì)算，可得

從式（5）可知，中軸上的力矩M 和應(yīng)變計(jì)的電阻阻值ΔR 有著一定的正比關(guān)系，我們就可以將電阻應(yīng)變計(jì)黏附于中軸上來測(cè)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(cè)量腳踏力變化情況[6]。本設(shè)計(jì)所采用的應(yīng)變片式傳感器是由4 個(gè)相同的可變電阻組成的全臂交流電橋電路。在電動(dòng)助力車中軸表面指定位置處黏附上電阻應(yīng)變計(jì)，當(dāng)騎行者踩上電動(dòng)車踏腳時(shí)，機(jī)械形變將會(huì)因?yàn)橹休S的受力變形產(chǎn)生。因?yàn)橛行巫儯陀袘?yīng)力，電橋橋臂上的電阻阻值也會(huì)變化，應(yīng)變電橋就會(huì)因此失衡，會(huì)輸出一個(gè)很小的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)跟力矩大小呈正比關(guān)系，然后這個(gè)信號(hào)會(huì)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(dòng)助力車的電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)放大電路

改變應(yīng)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(guān)系，但電阻變化值只是個(gè)微弱的變化量，它的電壓信號(hào)很小，單片機(jī)不能識(shí)別，因此要把這個(gè)信號(hào)進(jìn)行放大[7]。本文采用INA128電壓信號(hào)放大電路，如圖2所示。

圖2 INA128 電壓信號(hào)放大電路Fig.2 INA128 voltage signal amplification circuit

2.2 內(nèi)部V-F 轉(zhuǎn)換電路

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

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

2.2 外部F-V 轉(zhuǎn)換電路

內(nèi)外電路是通過線圈耦合來相互傳遞信號(hào)的，由內(nèi)部電路一系列處理之后的輸出信號(hào)經(jīng)線圈的耦合作用傳遞給外部線圈。在外部F-V 單片機(jī)轉(zhuǎn)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(chǎng)中接收到信號(hào)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(jī)中，進(jìn)行F-V 轉(zhuǎn)換，得到電壓信號(hào)的輸出。信號(hào)處理圖如圖4 所示。

圖4 外部信號(hào)處理框圖Fig.4 External signal processing block diagram

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

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

3 測(cè)試

簡(jiǎn)單來說，整個(gè)力矩傳感器電路是力矩信號(hào)與電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變。將采集的力矩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅碾妷盒盘?hào)重點(diǎn)在于單片機(jī)電路設(shè)計(jì)，因?yàn)橐ㄟ^單片機(jī)的V-F 和F-V 轉(zhuǎn)換功能，這決定了輸出電壓信號(hào)能是否為0.6～5.0 V，經(jīng)測(cè)試，輸出電壓信號(hào)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(cè)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(cè)試波形圖Fig.6 Test waveform

4 結(jié)語

電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)車，成為人們短途出行的最佳選擇之一。電動(dòng)助力車與傳統(tǒng)電動(dòng)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(dòng)車的旋轉(zhuǎn)把手，能夠控制電動(dòng)助力車的運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)助力車基于力矩傳感器而設(shè)計(jì)，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(huì)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，極大提高了電動(dòng)機(jī)的效率。人們選擇電動(dòng)助力車出行不僅能夠減少污染，還能夠鍛煉身體。