一种基于无线供电与无线通信的扭矩传感系统的制作方法

1.本发明涉及电踏车领域，具体涉及一种基于无线供电与无线通信的扭矩传感系统。


背景技术：

2.电踏车与目前国内理解的“电动自行车”最本质的区别在于，国内大多数所谓的电动自行车已经取消自行车的脚踏设计，变成了“电摩”，也就是“电动摩托车(electric motorcycle)”，单纯使用电力作为动力来源，完全取代了人力。而电踏车是“人力+电力”的混合运行模式，电力的加入不是为了取代人力，而是对人力进行加强，因此如果不踩脚踏，电力是无法单独驱动车辆前行的。另外电踏车与“电摩”最大的一个区别在于，电踏车从外观上几乎等同于自行车。并且电踏车在断电或者关闭电源之后，就变成了一辆普通的自行车，仍然可以自由骑行。
3.现有的电踏车核心部件为力矩传感器，它可以去检测人力的输出力矩，然后调用电机输出力矩来辅助人力。在扭矩采集时，采用电磁耦合线圈进行无线供电和无线通信的模拟信号传感器，经常会受到电机内部电磁环境和温度变化的影响，传感器模拟信号会受到严重干扰，造成扭矩信号失真或丢失或零点漂移，使得电机无法连续平稳地输出力矩；不仅如此，在室内外温差较大的情况下，在室内长时间放置后，马上投入室外使用时，由于温度变化较大，导致传感器零点漂移，以至于不正确的控制电机输出，造成安全隐患。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种不会受到电机内部电磁环境干扰的，在室内外温差较大的情况下传感器不会产生零点漂移，确保准确控制电机输出的基于无线供电与无线通信的扭矩传感系统。
5.技术方案：本发明包括固定件和旋转件，所述固定件包括第一电源、无线供电发射模块、无线通信接收模块、第一微控制器，无线供电发射模块与第一电源连接，无线通信接收模块与设置在固定件侧面的第一微控制器连接；所述旋转件与固定件相配合，包括第二电源、无线供电接收模块、无线通信发射模块、信号采集模块、第二微控制器，无线供电接收模块与第二电源连接，无线通信发射模块与第二微控制器的输出端连接，信号采集模块与设置在旋转件侧面的第二微控制器输入端连接；所述固定件中的第一电源通过无线供电发射模块向旋转件中的无线供电接收模块供电；所述信号采集模块采集扭矩传感器的扭矩信号并转换后，传递给第二微控制器；所述第二微控制器接收扭矩信号并经无线通信发射模块处理后传递给固定件的无线通信接收模块；所述无线供电发射模块、无线通信接收模块、无线供电接收模块、无线通信发射模块均采用独立的硬件芯片进行信号传输。
6.所述无线供电发射模块包括无线供电发射芯片和无线供电发射线圈，第一电源通过无线供电发射芯片向无线供电发射线圈供电；所述无线供电发射线圈将电能传递给旋转件中的无线供电接收模块。
7.所述无线通信接收模块包括无线通信接收芯片和无线通信接收天线，无线通信接收芯片与第一微控制器连接；所述无线通信接收天线将接收的扭矩信号传递给无线通信接收芯片，无线通信接收芯片再将扭矩信号传递给第一微控制器，由第一微控制器控制电机输出。
8.所述无线供电接收模块包括无线供电接收芯片和无线供电接收线圈，无线供电接收芯片和第二电源连接；所述无线供电接收线圈接收到无线供电发射线圈传递的能量后，通过无线供电接收芯片传递给第二电源，为第二电源供电。
9.所述信号采集模块包括依次连接的应变片、低通滤波器、adc芯片，其中adc芯片与第二微控制器的输入端连接。
10.所述应变片采用全桥贴片结构，可以避免零点漂移，使其输出准确的信号。
11.所述旋转件还包括电压基准芯片，电压基准芯片分别与应变片、adc芯片连接；电压基准芯片一方面为应变片提供电源，另一方面为adc芯片提供基准电压。
12.所述无线通信发射模块包括无线通信发射芯片和无线通信发射天线，无线通信发射芯片与第二微控制器连接。
13.所述第二微控制器通过串行数字接口控制无线通信发射芯片，将扭矩传感器的数字信号转换成电磁波模拟信号后通过无线通信发射天线向外发射。
14.有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)实现了扭矩信号不会受到电磁环境和温度变化影响，保证电机连续平稳地输出力矩；(2)能够进行温度补偿，信号采集模块在室内、外温差过大的工况下工作时，全桥贴片结构可以避免零点漂移，使其输出准确的信号，用以控制电机的助力运行。
附图说明
15.图1为本发明的结构框图；
16.图2为本发明中应变片的电路连接图。
具体实施方式
17.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。
18.如图1所示，本发明包括固定件和旋转件两部分。固定件包括第一电源、无线供电发射模块、无线通信接收模块、第一微控制器，无线供电发射模块与第一电源连接，无线通信接收模块与设置在固定件侧面的第一微控制器连接；具体地，无线供电发射模块包括无线供电发射芯片和无线供电发射线圈，第一电源通过无线供电发射芯片向无线供电发射线圈供电。无线通信接收模块包括无线通信接收芯片和无线通信接收天线，无线通信接收芯片与第一微控制器连接。
19.旋转件与固定件相配合，包括第二电源、无线供电接收模块、无线通信发射模块、信号采集模块、第二微控制器。无线供电接收模块与第二电源连接，无线通信发射模块与第二微控制器的输出端连接，信号采集模块与设置在旋转件侧面的第二微控制器输入端连接。具体地，无线供电接收模块包括无线供电接收芯片和无线供电接收线圈，无线供电接收芯片和第二电源连接。无线通信发射模块包括无线通信发射芯片和无线通信发射天线，无线通信发射芯片与第二微控制器连接；本实施例中，无线供电发射模块、无线通信接收模
块、无线供电接收模块、无线通信发射模块均采用独立的硬件芯片进行信号传输，目的在于确保扭矩传感器信号的传输不被无线供电和电机绕组的电磁环境干扰，保证传感器信号的准确性。第二微控制器通过串行数字接口控制无线通信发射芯片，将扭矩传感器的数字信号转换成电磁波模拟信号后通过无线通信发射天线向外发射，其通信的电磁波频率远大于无线供电线圈和电机定子绕组发出的电磁波频率，所以不会受到电机内部电磁环境的干扰。
20.信号采集模块包括依次连接的应变片、低通滤波器、adc芯片，其中adc芯片与第二微控制器的输入端连接。旋转件还包括电压基准芯片，电压基准芯片分别与应变片、adc芯片连接，电压基准芯片一方面为应变片提供电源，另一方面为adc芯片提供基准电压。设置电压基准芯片目的在于保证扭矩传感器的比例因子不受温度变化的影响，当扭矩传感器在室内、外温差过大的工况下工作时，电压基准芯片输出的电压不会受到温度的影响，使得采集的扭矩信号更为精准，adc芯片采集到的应变桥的差分电压只与应变片形变有关，使得扭矩传感器输出更加精准的信号，用以控制电机的助力运行。
21.本实施例中，应变片采用全桥贴片结构，目的在于进行温度补偿，当信号采集模块在室内、外温差过大的工况下工作时，此结构可以避免零点漂移，使其输出准确的信号，用以控制电机的助力运行，结合图2，其原理如下：
22.图中，r1表示工作应变片的电阻；r
b
表示补偿应变片片的电阻。不受力的情况下，电桥的输出电压u0＝a(r1r4‑
r
b
r3)＝0,其中a为比例因子，由物体表面应变系数以及桥臂电压决定。
23.当r3、r4为常数时，r1、r
b
对电桥的输出电压u0的作用方向相反。
24.当温度变化时，δt＝t
‑
t0，两个应变片因温度引起的电阻变化相同，电桥平衡。
25.u0＝a[(r1+δr
1t
)r4
‑
(r
b
+δr
bt
)r3]＝0；δr
1t
、δr
bt
为温度带来的阻值变化。
[0026]
当应变片发生形变时，此时采样信号与温度无关，只和形变相关。
[0027]
在上述方案中为了方便计算，优选将四个应变片设置为电阻相同。(应变片实质为一个电阻，当这个电阻发生形变时，其阻值会发生变化，故此可以贴设在物体表面计算)
[0028]
经过信号采集模块采集到一个与温度无关的电参数，此电参数代表使用者对踏板的踩踏力度。此电参数通过滤波单元传递给a/d芯片，转换为数字信号，传递给驱动单元，通过驱动单元控制电机运动。
[0029]
本发明的工作过程如下：固定件中的第一电源通过无线供电发射芯片向无线供电发射线圈供电，无线供电发射线圈将电能传递给旋转件中的无线供电接收线圈，无线供电接收线圈接收到无线供电发射线圈传递的能量后，通过无线供电接收芯片传递给第二电源，为第二电源供电。
[0030]
信号采集模块中的应变片采集扭矩信号后，通过低通滤波器传递给adc芯片转换为数字信号传递给旋转件一侧的第二微控制器；第二微控制器接收扭矩信号，通过无线通信发射芯片处理后再由无线通信发射天线传递给固定件一侧的无线通信接收天线；无线通讯接收天线将接收到的扭矩信号传递给无线通讯接收芯片，进而传递给固定件一侧的第一微控制器控制电机输出，无线通信的电磁波频率远大于无线供电线圈和电机绕组发出的电磁波频率，使得扭矩信号不会被干扰。
[0031]
本发明采用数字无线通信、电压基准芯片、全桥应变片贴设的方法，实现了扭矩信
号不会受到电磁环境和温度变化影响。采用上述技术方案后，电踏车在电磁环境恶劣、温差较大的工况下工作时，可以降低扭矩传感器的零点漂移和比例因子漂移，保证电机的正常工作，避免异常启动、助力提供不均匀等问题。