用于电动助力车的力矩传感器电路设计

卞刚

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

随着社会经济的发展，出现了越来越多的交通方式，人们的出行选择越来越多，尽管这些交通方式的出现极大便捷了人们的生活，但它们也对环境造成了极大的污染。像汽车、飞机的尾气没有经过处理就排放到大气层中，污染空气，严重的话甚至会引发呼吸道疾病。还有摩托车和电动车数量的增加，也使得道路噪声增加，加上其骑行速度快，制动性能差，安全性能低，交通事故的发生率也越来越高。电动助力自行车以其绿色环保、健康、经济的特性不断地成为人们追求的健身和交通工具[1-2]。电动助力车之所以和传统电动车不同，在于它的核心零部件力矩传感器[3]。力矩传感器是电动助力车的控制系统，而主要运行方式是人力和电机相结合，当人开始踩踏电动助力车后，力矩传感器传递出力矩信号，带动电机的运转，它的速度不会高于传统电动车的平均速度。由于采用这样新型的运行方式，电动机的工作效率也会大大提高。

1 力矩传感器的研究与设计

1.1 力矩传感器的机械设计

力矩传感器示意图如图1 所示。电动助力车力矩传感器的核心在于中轴，中轴在壳体内，壳体分为第1 壳体和第2 壳体，并且中轴左端配有左轴承。中轴右端也配有右轴承，右轴承内孔设有齿轮件，其内孔配有齿轮内孔轴承。

图1 力矩传感器示意结构图Fig.1 Schematic structure of torque sensor

齿轮内孔轴承安装在中轴右端，齿轮右端配有齿轮端面轴承，左轴承和右轴承安装于壳体内，靠近左轴承右端装有一弹簧，一端抵住左轴承的右端，另一端抵住感应块(永久磁铁)，感应块与滑块相连，在感应块对应部位配有电磁转换传感器。当脚踏板受力带动齿轮件与滑块相对运动，滑块和感应块产生直线位移，电磁转换传感器输出相应信号，控制电动助力车电机输出功率的大小及瞬时变化值。

1.2 力矩传感器的测量原理

力矩传感器是由4 个相同的桥臂电阻组成的惠斯通电桥，也就是电阻应变片[4]传感器。为了计算出力矩大小和应变片电阻变化之间的关系，要研究中轴表面处的某个单元体。施加一个法向应力和剪应力τ，当有踩踏力时，处于表面的最大拉应力σ1和最大压应力σ2满足如下关系式：

当测量力矩时，电阻应变片R1和R2分别黏附在轴与轴之间的两个相互垂直的方向上。σ1=-σ2，R1和R2的应变ε1和ε2可表示为：

式中：v——泊松比；E——中轴弹性模量。

截面上的剪应力τ和轴上力矩M 的关系如下：

式中：M——作用在中轴上的力矩；W——中轴截面的抗扭模数。

根据式（2）、式（3），以R1计算，可得

从式（5）可知，中轴上的力矩M 和应变计的电阻阻值ΔR 有着一定的正比关系，我们就可以将电阻应变计黏附于中轴上来测其上的力矩大小[5]。

1.3 力矩传感器的选择

力矩传感器最直接的作用就是测量脚踏力变化情况[6]。本设计所采用的应变片式传感器是由4 个相同的可变电阻组成的全臂交流电桥电路。在电动助力车中轴表面指定位置处黏附上电阻应变计，当骑行者踩上电动车踏脚时，机械形变将会因为中轴的受力变形产生。因为有形变，就有应力，电桥桥臂上的电阻阻值也会变化，应变电桥就会因此失衡，会输出一个很小的电压信号，电压信号跟力矩大小呈正比关系，然后这个信号会在之后的一系列电路中被处理，最终处理完成后输出。

2 电动助力车的电路设计

2.1 信号放大电路

改变应变片式电桥电路的桥臂电阻值，可得到输出电压与电阻变化值之间的关系，但电阻变化值只是个微弱的变化量，它的电压信号很小，单片机不能识别，因此要把这个信号进行放大[7]。本文采用INA128电压信号放大电路，如图2所示。

图2 INA128 电压信号放大电路Fig.2 INA128 voltage signal amplification circuit

2.2 内部V-F 转换电路

应变片中采集的电压信号经过放大之后，需要将电压信号转换成频率信号，要用到单片机[8]的V-F 转换功能。V-F 转换电路如图3 所示。

图3 内部V-F 转换电路Fig.3 Internal V-F conversion circuit

2.2 外部F-V 转换电路

内外电路是通过线圈耦合来相互传递信号的，由内部电路一系列处理之后的输出信号经线圈的耦合作用传递给外部线圈。在外部F-V 单片机转换电路之前，接入了整流滤波电路和比较放大电路。在LC 谐振产生的磁场中接收到信号后，经过一系列处理之后，将出现的高低方波传递到PIC 单片机中，进行F-V 转换，得到电压信号的输出。信号处理图如图4 所示。

图4 外部信号处理框图Fig.4 External signal processing block diagram

在外部信号进行处理时，因单片机解析度不够，不能得到所需要的输出，因此在外部信号处理电路中，还需接入一个DAC 数模转换器来提高F-V 转换电路的解析度。外部F-V 信号处理电路如图5 所示。

图5 外部F-V 信号处理电路Fig.5 External F-V signal processing circuit

3 测试

简单来说，整个力矩传感器电路是力矩信号与电压信号之间的转变。将采集的力矩信号转变为输出的电压信号重点在于单片机电路设计，因为要通过单片机的V-F 和F-V 转换功能，这决定了输出电压信号能是否为0.6～5.0 V，经测试，输出电压信号符合要求。CH1 为电压输出，CH2为频率输入。图6 是使用示波器测量的CH1 与CH2 波形图。由图6 可知，DAC1011S101 输出的最大电压和输出的最小电压符合要求，电压输出范围0.6～5.0 V。

图6 测试波形图Fig.6 Test waveform

4 结语

电动助力车因其绿色环保，安全系数高，已经开始取代传动电动车，成为人们短途出行的最佳选择之一。电动助力车与传统电动车最大的不同在于它有力矩传感器。力矩传感器类似于传统电动车的旋转把手，能够控制电动助力车的运转。电动助力车基于力矩传感器而设计，采用“人力+电力”的模式。只要力矩传感器接收到骑行者的踩踏力，就会带动电动机工作，极大提高了电动机的效率。人们选择电动助力车出行不仅能够减少污染，还能够锻炼身体。