李志鵬，楊傳英，邵憲友

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱　150040)

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引用格式：李志鵬，楊傳英，邵憲友.基于CAN總線對(duì)應(yīng)變式扭矩傳感器的零點(diǎn)校正[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(1):89-92.

Citation format：LI Zhi-peng, YANG Chuan-ying， SHAO Xian-you.Zero Correction of Variable Torque Sensor Based on CAN Bus[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):89-92.

基于CAN總線對(duì)應(yīng)變式扭矩傳感器的零點(diǎn)校正

李志鵬，楊傳英，邵憲友

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱150040)

摘要：傳感器零點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定是一項(xiàng)重要的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。影響傳感器零點(diǎn)誤差的因素包括粘貼工藝、彈性體設(shè)計(jì)、溫度等。針對(duì)應(yīng)變式扭矩傳感器內(nèi)部電阻磨損對(duì)零點(diǎn)造成的誤差進(jìn)行研究，并通過(guò)CAN總線對(duì)其零點(diǎn)進(jìn)行校正。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變片；電阻率；CAN總線

最初的補(bǔ)償方法是采用硬件電路補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種方法缺少靈活性，并且加入的硬件也會(huì)帶來(lái)新的誤差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可在一定程度上改善傳感器在硬件電路補(bǔ)償方面的不足。本文主要通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和補(bǔ)償，通過(guò)CAN總線傳輸來(lái)提高傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

1應(yīng)變式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)及誤差原因

工作原理傳動(dòng)軸由于受外力產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，使軸上的應(yīng)變計(jì)的電阻值發(fā)生了變化，導(dǎo)致應(yīng)變電橋的不平衡，通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)和刷臂輸出與扭矩成正比的微弱電信號(hào)。當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)電滑環(huán)的電阻值會(huì)發(fā)生變化。電橋結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

圖1　電橋結(jié)構(gòu)原理

扭矩傳感器利用應(yīng)變片組成電橋，在力的作用下電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)輸入端通過(guò)直流電壓之后，輸出端可以輸出隨外力大小而改變的電壓信號(hào)。再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理加工，就能得到扭矩的大小。

根據(jù)傳感器的工作理論，傳感器零點(diǎn)誤差主要隨著傳感器電路中電阻的變化而變化。根據(jù)歐姆定律，電阻可表示為

其中：R為導(dǎo)電材料的電阻；ρ為電阻率；l為導(dǎo)電材料的長(zhǎng)度；s為導(dǎo)電材料的截面積。式(1)說(shuō)明電阻的大小與其幾何尺寸和電導(dǎo)率有關(guān)系。

本文主要對(duì)傳感器的磨損引起的零點(diǎn)輸出誤差進(jìn)行研究，也就是說(shuō)，磨損必將導(dǎo)致其電導(dǎo)率的改變，因此需要從根本上對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行研究。由電工學(xué)可知：在計(jì)算電阻值時(shí)，默認(rèn)電阻率是一個(gè)常數(shù)，但在研究傳感器零點(diǎn)輸出誤差時(shí)則認(rèn)為它是隨時(shí)間慢慢變化的。為了解決電阻率變化的問(wèn)題，有必要深入了解金屬體導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)。

金屬的導(dǎo)電性在宏觀上是由于金屬中具有自由電子，在外電場(chǎng)的作用下自由電子發(fā)生了定向移動(dòng)而產(chǎn)生了電流。但在微觀上，任何金屬物質(zhì)沒(méi)有自由電子，它是由電子和原子構(gòu)成。在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用時(shí)它們不分開(kāi)；加上外加電場(chǎng)之后電子就會(huì)脫離原子的束縛從一個(gè)原子核轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子核的上面依次進(jìn)行移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。按照量子力學(xué)的概念[1]，電阻率用下式表示：

式中的幾個(gè)參量?jī)H與溫度有關(guān)， 而與本文提出的磨損無(wú)關(guān)，所以不考慮溫度影響。因?yàn)殡妼?dǎo)率與電阻之間有導(dǎo)數(shù)關(guān)系[2]，即ρ=1/τ，(電子的散射度)電導(dǎo)率越小電子的散射度就越大。所以，電子的散射幾率越大，材料的電阻率越大。

電子的散射度受外界溫度、外部施加壓力、范性形變、材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)等因素的影響。隨著溫度的升高，電子容易被散射出去。本文主要針對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)的磨損來(lái)考慮問(wèn)題，因此主要對(duì)其范性形變進(jìn)行分析。通過(guò)一定的原理以及總結(jié)可知：范性形變使材料的電阻率增加。電阻率發(fā)生變化的原因是由于導(dǎo)體材料范性形變使得晶體點(diǎn)陣發(fā)生了變形和缺陷，導(dǎo)致電場(chǎng)的分布有差異，從而使電子的散射度明顯增加。范性形變的變化程度越明顯，其散射度便隨之增加，最后導(dǎo)致金屬的電阻率增加。在傳感器使用過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間的使用和嚴(yán)重磨損會(huì)使傳感器零點(diǎn)的輸出出現(xiàn)偏差從而影響傳感器的穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證理論的可靠性，進(jìn)行1 800次實(shí)驗(yàn)。每次轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)后使其回到直線位置，然后測(cè)出此時(shí)的電壓值。具體數(shù)值如下：

次數(shù)100200300400500600700800900電壓3.2463.2463.2443.2453.2443.2423.243.2353.234次數(shù)100011001200130014001500160017001800電壓3.2353.2343.2333.2323.233.2323.2313.2313.231

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：磨損對(duì)電阻值有較大的影響。因此，長(zhǎng)時(shí)間的使用扭矩傳感器會(huì)使導(dǎo)電滑環(huán)的電阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)發(fā)生變化，從而使汽車(chē)在直線行駛時(shí)發(fā)生跑偏的現(xiàn)象。

2檢測(cè)零點(diǎn)及處理方法

電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又被稱(chēng)為EPS，一般由電動(dòng)機(jī)、傳感器、控制單元等元件構(gòu)成。其整體結(jié)構(gòu)是向方向盤(pán)施加一個(gè)力，這個(gè)力通過(guò)扭桿傳遞給扭矩傳感器。傳感器測(cè)出一個(gè)信號(hào)傳遞給電控單元，加上車(chē)速等信息后，電控單元經(jīng)過(guò)分析處理給電動(dòng)機(jī)輸出一個(gè)電信號(hào)使得電動(dòng)機(jī)輸出一個(gè)合適的力，通過(guò)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)使車(chē)輪舒適自由地行駛。這就是汽車(chē)EPS系統(tǒng)，可使得用戶(hù)具有較好的舒適感以及良好的駕駛感覺(jué)。為了提高信號(hào)的傳輸速率，目前汽車(chē)上都安裝有CAN、FlexRay等總線系統(tǒng)與各種傳感器互連，通過(guò)總線將信號(hào)傳遞給控制器后再進(jìn)行控制，極大地提高了傳遞的速率和準(zhǔn)確度。

從理論上來(lái)說(shuō)，傳感器的零點(diǎn)誤差[3]可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試來(lái)完全消除，但事實(shí)上傳感器和測(cè)量電路還會(huì)受到時(shí)間和環(huán)境等不確定性因素的影響。大多數(shù)情況下，輸出的零點(diǎn)由于各種外界情況的影響會(huì)發(fā)生不間斷的變化，有些誤差因素隨時(shí)間、溫度的變化而變化，但本文主要從傳感器的磨損方面來(lái)考慮，因此，為了改善這種情況，需要對(duì)其進(jìn)行校正。通過(guò)傳感器隨機(jī)地采集零點(diǎn)的信號(hào)，并在單片機(jī)中進(jìn)行處理控制求其總體的平均數(shù)，然后將實(shí)際測(cè)得的電壓值與平均誤差相減即為校正。總體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2總體結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用的單片機(jī)芯片為AT89C51，帶有4K字節(jié)的存儲(chǔ)功能，單片機(jī)內(nèi)部的只讀存儲(chǔ)器具有可擦除1 000次的能力。單片機(jī)程序一般包括初始化、主程序、中斷服務(wù)程序和子程序。部分程序流程見(jiàn)圖3。

圖3　部分程序流程

3CAN總線

CAN總線[4]又稱(chēng)為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的總線之一，在具有較高實(shí)時(shí)性的同時(shí)也提供了準(zhǔn)確的傳遞數(shù)據(jù)。

本文中CAN總線上的單元主要由單片機(jī)芯片AT89C51、獨(dú)立控制器SJA1000、總線收發(fā)器PCA82C250和6N137光電耦合器等元件構(gòu)成。對(duì)獨(dú)立控制器SJA1000初始化后，就可以完成模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

數(shù)據(jù)的采集一般都是由傳感器經(jīng)過(guò)測(cè)量后傳送到結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行處理。為了提高效率，模擬信號(hào)的采集一般都是多通道同時(shí)采集，然后將采集到的信號(hào)輸送到A/D轉(zhuǎn)換器的端口進(jìn)行處理以及轉(zhuǎn)換，將處理后的信號(hào)傳送到微計(jì)算機(jī)，通過(guò)擬定的程序計(jì)算得到想要的數(shù)據(jù)，并將最終數(shù)據(jù)傳遞給CAN微控制器，再依據(jù)CAN協(xié)議的格式轉(zhuǎn)換一次后，發(fā)送到上位機(jī)或者其他模塊，使其得到自己想要的數(shù)據(jù)?？傮w硬件實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖4。

圖4　總體硬件實(shí)現(xiàn)電路

1) 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換電路：電路由TLC2543芯片和AT89C51組成。P1.0與CS相連，只有CS變化才能進(jìn)入工作狀態(tài)進(jìn)行寫(xiě)操作或者讀操作；P1.1與CLOCK連接，控制片內(nèi)的時(shí)鐘頻率；P1.2與DATA IN相連，控制信號(hào)的輸入以及在片內(nèi)進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換；P1.3與DATA OUT 相連，把采集到的信號(hào)輸出；INT1引腳與EOC引腳相連，通過(guò)AT89C51來(lái)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)，以此告知何時(shí)結(jié)束采集進(jìn)程。

2) 芯片的連接電路：CAN 總線的模塊體系主要由芯片82C250和SJA1000構(gòu)成。SJA1000對(duì)AT89C51進(jìn)行控制，AT89C51相當(dāng)于SJA1000外接的存儲(chǔ)芯片進(jìn)行工作。其中，AT89C52上的P0口分別與SJA1000的AD0～AD7相互連接，RD、ALE、WR、P2.4口分別與SJA1000的RD、ALE、WR、CS端相連接，并且SJA1000的控制中斷信號(hào)引腳INT連接AT89C51的INT0引腳，使得AT89C51在SJA1000的控制下可以合理地接收要傳送的信號(hào)?？偩€收發(fā)器82C250與物理總線的CANL和CANH相連接，使得數(shù)據(jù)可以傳輸[5]，同時(shí)其本身也具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使得信號(hào)的傳輸能力增強(qiáng)，更表現(xiàn)出CAN系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。SJA1000的TX0和RX0分別與6N173光電耦合器的引腳相連，將信號(hào)傳遞到82C250，再次將信號(hào)通過(guò)物理總線的高低端傳送到所需要的模塊中。

3) 需要轉(zhuǎn)換格式[6]的電路：如果有采集到的信號(hào)或者從CAN總線來(lái)的信號(hào)，需要將其格式轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰母袷?，可讓其信?hào)通過(guò)AT89C51的TXD傳送到MAX232中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，從MAX232中將信號(hào)再次傳遞到AT89C51的RXD端口，讀取信號(hào)，此過(guò)程就是信號(hào)轉(zhuǎn)換的全過(guò)程。

具體的流程見(jiàn)圖5。

4結(jié)束語(yǔ)

零點(diǎn)是傳感器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，研究和校正零點(diǎn)的誤差具有重要意義。本文設(shè)計(jì)建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，表明傳感器長(zhǎng)時(shí)間磨損引起的零點(diǎn)誤差可以很好地校正。基于CAN總線的傳輸使得校正的速率得到了提高，滿(mǎn)足了企業(yè)和用戶(hù)的需求。

圖5　具體流程

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Zero Correction of Variable Torque Sensor Based on CAN Bus

LI Zhi-peng, YANG Chuan-ying， SHAO Xian-you

(Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:Long-term stability of sensor zero is an important technical parameters index. There are many reasons for the error of the sensor zero. For example: paste technology, design of elastomer, temperature, etc. We studied on the error zero point caused by the internal resistance wear of the varible torque sensor and corrected its zero point by CAN bus.

Key words:strain gauge; resistivity; CAN Bus

文章編號(hào)：1674-8425(2016)01-0089-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.015

作者簡(jiǎn)介：李志鵬(1963—)，男，哈爾濱人，博士，教授，主要從事汽車(chē)電子控制技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(E051103)

收稿日期：2015-07-18