李志鹏，杨传英，邵宪友

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨　150040)



引用格式：李志鹏，杨传英，邵宪友.基于CAN总线对应变式扭矩传感器的零点校正[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，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总线对应变式扭矩传感器的零点校正

李志鹏，杨传英，邵宪友

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨150040)

摘要：传感器零点的长期稳定是一项重要的技术参数指标。影响传感器零点误差的因素包括粘贴工艺、弹性体设计、温度等。针对应变式扭矩传感器内部电阻磨损对零点造成的误差进行研究，并通过CAN总线对其零点进行校正。

关键词：应变片；电阻率；CAN总线

最初的补偿方法是采用硬件电路补偿来实现，但是这种方法缺少灵活性，并且加入的硬件也会带来新的误差。随着计算机技术的发展及广泛应用，利用计算机强大的数据处理能力，可在一定程度上改善传感器在硬件电路补偿方面的不足。本文主要通过单片机对数据进行处理和补偿，通过CAN总线传输来提高传感器的稳定性和准确度。

1应变式扭矩传感器结构及误差原因

工作原理传动轴由于受外力产生机械应变，使轴上的应变计的电阻值发生了变化，导致应变电桥的不平衡，通过导电滑环和刷臂输出与扭矩成正比的微弱电信号。当外力作用时，导电滑环的电阻值会发生变化。电桥结构原理见图1。

图1　电桥结构原理

扭矩传感器利用应变片组成电桥，在力的作用下电阻值也发生相应的变化。当输入端通过直流电压之后，输出端可以输出随外力大小而改变的电压信号。再经过信号处理加工，就能得到扭矩的大小。

根据传感器的工作理论，传感器零点误差主要随着传感器电路中电阻的变化而变化。根据欧姆定律，电阻可表示为

其中：R为导电材料的电阻；ρ为电阻率；l为导电材料的长度；s为导电材料的截面积。式(1)说明电阻的大小与其几何尺寸和电导率有关系。

本文主要对传感器的磨损引起的零点输出误差进行研究，也就是说，磨损必将导致其电导率的改变，因此需要从根本上对电导率进行研究。由电工学可知：在计算电阻值时，默认电阻率是一个常数，但在研究传感器零点输出误差时则认为它是随时间慢慢变化的。为了解决电阻率变化的问题，有必要深入了解金属体导电的实质。

金属的导电性在宏观上是由于金属中具有自由电子，在外电场的作用下自由电子发生了定向移动而产生了电流。但在微观上，任何金属物质没有自由电子，它是由电子和原子构成。在没有外加电场作用时它们不分开；加上外加电场之后电子就会脱离原子的束缚从一个原子核转移到另一个原子核的上面依次进行移动，从而产生电流。按照量子力学的概念[1]，电阻率用下式表示：

式中的几个参量仅与温度有关， 而与本文提出的磨损无关，所以不考虑温度影响。因为电导率与电阻之间有导数关系[2]，即ρ=1/τ，(电子的散射度)电导率越小电子的散射度就越大。所以，电子的散射几率越大，材料的电阻率越大。

电子的散射度受外界温度、外部施加压力、范性形变、材料的化学成分和组织结构等因素的影响。随着温度的升高，电子容易被散射出去。本文主要针对导电滑环的磨损来考虑问题，因此主要对其范性形变进行分析。通过一定的原理以及总结可知：范性形变使材料的电阻率增加。电阻率发生变化的原因是由于导体材料范性形变使得晶体点阵发生了变形和缺陷，导致电场的分布有差异，从而使电子的散射度明显增加。范性形变的变化程度越明显，其散射度便随之增加，最后导致金属的电阻率增加。在传感器使用过程中，长时间的使用和严重磨损会使传感器零点的输出出现偏差从而影响传感器的稳定性。

为了验证理论的可靠性，进行1 800次实验。每次转动方向盘后使其回到直线位置，然后测出此时的电压值。具体数值如下：

次数100200300400500600700800900电压3.2463.2463.2443.2453.2443.2423.243.2353.234次数100011001200130014001500160017001800电压3.2353.2343.2333.2323.233.2323.2313.2313.231

由实验结果可知：磨损对电阻值有较大的影响。因此，长时间的使用扭矩传感器会使导电滑环的电阻值发生变化，导致传感器的零点发生变化，从而使汽车在直线行驶时发生跑偏的现象。

2检测零点及处理方法

电子控制动力转向系统又被称为EPS，一般由电动机、传感器、控制单元等元件构成。其整体结构是向方向盘施加一个力，这个力通过扭杆传递给扭矩传感器。传感器测出一个信号传递给电控单元，加上车速等信息后，电控单元经过分析处理给电动机输出一个电信号使得电动机输出一个合适的力，通过转向执行机构使车轮舒适自由地行驶。这就是汽车EPS系统，可使得用户具有较好的舒适感以及良好的驾驶感觉。为了提高信号的传输速率，目前汽车上都安装有CAN、FlexRay等总线系统与各种传感器互连，通过总线将信号传递给控制器后再进行控制，极大地提高了传递的速率和准确度。

从理论上来说，传感器的零点误差[3]可以通过电路设计和调试来完全消除，但事实上传感器和测量电路还会受到时间和环境等不确定性因素的影响。大多数情况下，输出的零点由于各种外界情况的影响会发生不间断的变化，有些误差因素随时间、温度的变化而变化，但本文主要从传感器的磨损方面来考虑，因此，为了改善这种情况，需要对其进行校正。通过传感器随机地采集零点的信号，并在单片机中进行处理控制求其总体的平均数，然后将实际测得的电压值与平均误差相减即为校正。总体结构示意图见图2。

图2总体结构示意图

本文采用的单片机芯片为AT89C51，带有4K字节的存储功能，单片机内部的只读存储器具有可擦除1 000次的能力。单片机程序一般包括初始化、主程序、中断服务程序和子程序。部分程序流程见图3。

图3　部分程序流程

3CAN总线

CAN总线[4]又称为控制器局域网络，是工业上广泛应用的总线之一，在具有较高实时性的同时也提供了准确的传递数据。

本文中CAN总线上的单元主要由单片机芯片AT89C51、独立控制器SJA1000、总线收发器PCA82C250和6N137光电耦合器等元件构成。对独立控制器SJA1000初始化后，就可以完成模块的数据发送与接收。

数据的采集一般都是由传感器经过测量后传送到结构的内部进行处理。为了提高效率，模拟信号的采集一般都是多通道同时采集，然后将采集到的信号输送到A/D转换器的端口进行处理以及转换，将处理后的信号传送到微计算机，通过拟定的程序计算得到想要的数据，并将最终数据传递给CAN微控制器，再依据CAN协议的格式转换一次后，发送到上位机或者其他模块，使其得到自己想要的数据。总体硬件实现电路见图4。

图4　总体硬件实现电路

1) 数据的转换电路：电路由TLC2543芯片和AT89C51组成。P1.0与CS相连，只有CS变化才能进入工作状态进行写操作或者读操作；P1.1与CLOCK连接，控制片内的时钟频率；P1.2与DATA IN相连，控制信号的输入以及在片内进行格式的转换；P1.3与DATA OUT 相连，把采集到的信号输出；INT1引脚与EOC引脚相连，通过AT89C51来控制信号转换的时间点，以此告知何时结束采集进程。

2) 芯片的连接电路：CAN 总线的模块体系主要由芯片82C250和SJA1000构成。SJA1000对AT89C51进行控制，AT89C51相当于SJA1000外接的存储芯片进行工作。其中，AT89C52上的P0口分别与SJA1000的AD0～AD7相互连接，RD、ALE、WR、P2.4口分别与SJA1000的RD、ALE、WR、CS端相连接，并且SJA1000的控制中断信号引脚INT连接AT89C51的INT0引脚，使得AT89C51在SJA1000的控制下可以合理地接收要传送的信号。总线收发器82C250与物理总线的CANL和CANH相连接，使得数据可以传输[5]，同时其本身也具有较强的抗干扰能力，使得信号的传输能力增强，更表现出CAN系统实时性的特点。SJA1000的TX0和RX0分别与6N173光电耦合器的引脚相连，将信号传递到82C250，再次将信号通过物理总线的高低端传送到所需要的模块中。

3) 需要转换格式[6]的电路：如果有采集到的信号或者从CAN总线来的信号，需要将其格式转变为所需要的格式，可让其信号通过AT89C51的TXD传送到MAX232中进行格式转换。转换完成后，从MAX232中将信号再次传递到AT89C51的RXD端口，读取信号，此过程就是信号转换的全过程。

具体的流程见图5。

4结束语

零点是传感器的一项重要指标，研究和校正零点的误差具有重要意义。本文设计建立在实验基础之上，表明传感器长时间磨损引起的零点误差可以很好地校正。基于CAN总线的传输使得校正的速率得到了提高，满足了企业和用户的需求。

图5　具体流程

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(责任编辑杨黎丽)

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

文章编号：1674-8425(2016)01-0089-04

中图分类号：TP202+.2

文献标识码：A

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

作者简介：李志鹏(1963—)，男，哈尔滨人，博士，教授，主要从事汽车电子控制技术研究。

基金项目：黑龙江省科学技术基金资助项目(E051103)

收稿日期：2015-07-18