本發(fā)明屬于傳感器信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及到一種力矩傳感器的信號(hào)處理算法。

背景技術(shù)：

隨著近年人民生活水平的提高，電動(dòng)助力車(Pedelec)已經(jīng)不僅僅是一種代步工具，而是被越來(lái)越多的人用作休閑健身的體育器材。而作為休閑健身之用的電動(dòng)助力車，必須具備良好的騎行舒適感和適當(dāng)?shù)捏w能鍛煉效果，因此目前在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的高端的電動(dòng)助力車上，都配備了力矩傳感器(Torque Sensor)，其功能是根據(jù)騎行者腳踏力量的大小來(lái)決定電機(jī)輸出功率的大小。一般情況下，腳踏力量越大，代表著騎行者需要更快的車速，這時(shí)電機(jī)輸出的功率也應(yīng)該相應(yīng)地加大，從而不讓騎行者付出太多的能量消耗。反之，腳踏力量越小，電機(jī)的輸出功率也越小。完美的電機(jī)控制算法應(yīng)該達(dá)到車輛的平穩(wěn)性和反應(yīng)速度的平衡，即腳踏一用力，車子立即啟動(dòng)；腳踏一停止，電機(jī)立即斷電；騎行過(guò)程中腳踏加力，電機(jī)的出力線性增加，既不會(huì)讓騎行者感覺動(dòng)力不足，又不會(huì)由于電機(jī)出力過(guò)大讓騎行者有空踩的感覺；騎行過(guò)程中腳踏減力，電機(jī)也要及時(shí)減小輸出，能夠讓整車速度及時(shí)下降，以節(jié)省電力。這就需要設(shè)計(jì)一套完整的信號(hào)處理以及電機(jī)控制算法。

目前電動(dòng)助力車上配備的力矩傳感器根據(jù)其安裝位置的不同，大致有以下幾種：腳踏中軸五通力矩傳感器，后輪軸鉤爪力矩傳感器，腳踏板壓力傳感器，鏈條張力傳感器等等。但是其輸出力矩信號(hào)都是類似于圖1所示。

圖1為騎行者踏力恒定且踏頻恒定的理想狀態(tài)下腳踏一周時(shí)力矩傳感器輸出電壓信號(hào)波形。此圖中力矩零點(diǎn)為1.0V，滿值為4.0V，當(dāng)右腳腳踏板位于最下方時(shí)，我們定義此時(shí)的曲柄角度為0度，當(dāng)右腳腳踏板位于最上方時(shí)，我們定義此時(shí)的曲柄角度為180度，如圖2所示。從圖1可以看出當(dāng)曲柄位于0度和180度的位置的時(shí)候，力矩信號(hào)為0，因?yàn)榇藭r(shí)踏力方向?yàn)榇怪庇诘孛娴姆较?，踏力全部被軸抵消，沒(méi)有分量被傳遞到鏈盤上；當(dāng)曲柄位于90度的時(shí)候，也就是左腳踏板位于最前部的時(shí)候，左腳踏力被全部傳遞到鏈盤上，此時(shí)接收到的力矩信號(hào)達(dá)到峰值；當(dāng)曲柄位于270度的時(shí)候，也就是右腳踏板位于最前部的時(shí)候，右腳踏力被全部傳遞到鏈盤上，此時(shí)接收到的力矩信號(hào)也達(dá)到峰值。

由此可見，如果電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩直接和腳踏力矩信號(hào)成正比的話，就會(huì)造成一圈內(nèi)兩個(gè)周期的轉(zhuǎn)矩很大的波動(dòng)，造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)力忽大忽小，車輛向前一沖一放，這會(huì)嚴(yán)重影響騎行的舒適感。因此如何正確地對(duì)力矩信號(hào)進(jìn)行處理，是力矩型電動(dòng)助力車能否獲得良好的用戶體驗(yàn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開了一種電動(dòng)助力車力矩傳感器信號(hào)處理算法，該算法通過(guò)對(duì)腳踏力矩傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，用處理過(guò)的力矩電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)車輛的平穩(wěn)性和反應(yīng)速度的平衡。

技術(shù)方案：一種電動(dòng)助力車力矩傳感器信號(hào)處理算法，包括如下步驟：

(1)力矩零點(diǎn)T₀自標(biāo)定；(2)還原腳踏力矩電壓Torque_Real；(3)提取踏頻信號(hào)；(4)得到處理后的力矩信號(hào)。

具體地，步驟(1)所述的力矩零點(diǎn)自標(biāo)定包括如下步驟：

(11)在系統(tǒng)通電信號(hào)穩(wěn)定后對(duì)力矩傳感器的電壓進(jìn)行1秒鐘的持續(xù)采樣，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)均值

(12)如果則力矩零點(diǎn)T₀為且為可靠零點(diǎn)，結(jié)束力矩零點(diǎn)自標(biāo)定；其中[T_min,T_max]為廠家標(biāo)稱的力矩零點(diǎn)范圍；

(13)如果則力矩零點(diǎn)為不可靠零點(diǎn)，暫時(shí)認(rèn)為力矩零點(diǎn)T₀為繼續(xù)對(duì)力矩傳感器的電壓進(jìn)行采樣；

(14)當(dāng)力矩零點(diǎn)為不可靠零點(diǎn)時(shí)，如果連續(xù)3秒內(nèi)力矩傳感器電壓的采樣值波動(dòng)范圍小于±0.1V，計(jì)算統(tǒng)計(jì)均值則力矩零點(diǎn)T₀為結(jié)束力矩零點(diǎn)自標(biāo)定。

當(dāng)電動(dòng)助力車配備腳踏角度傳感器時(shí)，步驟(2)所述的腳踏力矩電壓Torque_Real為：

其中Torque_Real為是真實(shí)可用來(lái)計(jì)算電機(jī)輸出的力矩電壓，Torque_Sample是采樣到的力矩電壓，θ為腳踏角度傳感器的輸出角度，弧度單位，0度起點(diǎn)定義與圖2一致。

當(dāng)電動(dòng)助力車沒(méi)有配備腳踏角度傳感器時(shí)，步驟(2)所述的腳踏力矩電壓Torque_Real為：

其中Torque_Real(n)表示在n時(shí)刻的腳踏力矩電壓Torque_Real，Torque_Sample(n)表示n時(shí)刻采樣到的力矩電壓，Torque_Real(0)＝0。

當(dāng)電動(dòng)助力車配備有腳踏速度傳感器時(shí)，步驟(3)所述的踏頻信號(hào)T_f為：

其中，N_f為腳踏速度傳感器每秒接收到的脈沖數(shù)，M_f為腳踏一圈時(shí)腳踏速度傳感器接收到的脈沖數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)助力車沒(méi)有配備有腳踏速度傳感器時(shí)，步驟(3)所述的踏頻信號(hào)T_f為原始的力矩采樣信號(hào)Torque_Sample(n)快速傅里葉變換T_FFT(k)的基頻分量。

步驟(4)所述的處理后的力矩信號(hào)Torque為：

Torque＝Torque_Real*k_comp

其中Torque_Real為步驟(2)還原的腳踏力矩電壓，補(bǔ)償系數(shù)k_comp計(jì)算公式如下：T_f為步驟(3)提取的踏頻信號(hào)。

有益效果：本發(fā)明公開的電動(dòng)助力車力矩傳感器信號(hào)處理算法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、當(dāng)力矩零點(diǎn)不可靠時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中重新標(biāo)定力矩零點(diǎn)，使系統(tǒng)的判斷更加穩(wěn)定；2、在還原腳踏力矩電壓時(shí)，對(duì)于信號(hào)上升和下降的過(guò)程采用不同的濾波系數(shù)，達(dá)到響應(yīng)及時(shí)，騎行平順的目的；3、在沒(méi)有腳踏速度傳感器的情況下，利用快速傅里葉變化提取離散力矩信號(hào)的基頻作為踏頻，可以有效模擬出踏頻信號(hào)；4、本發(fā)明公開的算法處理過(guò)的力矩信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)車輛的平穩(wěn)性和反應(yīng)速度的平衡，具有舒適的騎行體驗(yàn)感。

附圖說(shuō)明

圖1是腳踏一圈力矩信號(hào)波形圖；

圖2是曲柄角度示意圖；

圖3是本發(fā)明算法的流程圖；

圖4是本發(fā)明中力矩零點(diǎn)自標(biāo)定流程圖；

圖5是非等同系數(shù)一階濾波算法流程圖；

圖6是非等同系數(shù)一階低通濾波的前后信號(hào)對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖3所示，一種電動(dòng)助力車力矩傳感器信號(hào)處理算法，包括如下步驟：

(1)力矩零點(diǎn)T₀自標(biāo)定；

力矩傳感器的生產(chǎn)廠家一般都會(huì)在產(chǎn)品說(shuō)明書上標(biāo)明力矩信號(hào)的零點(diǎn)范圍，但是由于種種原因，比如安裝工藝，溫度漂移等，實(shí)際在整車上安裝完成的產(chǎn)品的一致性并非很好，也不是嚴(yán)格符合產(chǎn)品說(shuō)明。這時(shí)就需要控制器對(duì)力矩傳感器的零點(diǎn)電壓重新標(biāo)定，一般要求用戶在開機(jī)時(shí)保持兩側(cè)踏板自由狀態(tài)，無(wú)外部壓力，控制器系統(tǒng)通電信號(hào)穩(wěn)定后對(duì)力矩傳感器的電壓進(jìn)行1秒鐘的持續(xù)采樣，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)均值如果在廠家標(biāo)定的力矩零點(diǎn)范圍[T_min,T_max]之內(nèi)，則認(rèn)為此值為可靠零點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程中一直使用此值作為力矩零點(diǎn)，即如果超出了廠家標(biāo)定的力矩零點(diǎn)范圍，則暫時(shí)將作為力矩零點(diǎn)，但同時(shí)標(biāo)記為不可靠零點(diǎn)，不可靠的原因有可能是開機(jī)時(shí)腳踏板上有壓力所致，所以還需要在運(yùn)行過(guò)程中重新修正零點(diǎn)。當(dāng)力矩傳感器的電壓連續(xù)3秒以上波動(dòng)范圍小于±0.1V時(shí)，重新標(biāo)定此時(shí)間段內(nèi)的力矩電壓統(tǒng)計(jì)均值為力矩零點(diǎn)T₀，因?yàn)樵谡Ｈ肆Σ忍み^(guò)程中，會(huì)是如圖1所示的波形信號(hào)，不可能是一成不變的電壓信號(hào)，可以認(rèn)為這3秒內(nèi)沒(méi)有人力在踩踏，所以將此值設(shè)為零點(diǎn)是比較合理的處理方法。圖4為力矩零點(diǎn)自標(biāo)定算法的流程圖。

獲取到力矩零點(diǎn)后，對(duì)力矩電壓的采樣和還原都是基于此力矩零點(diǎn)。

(2)還原腳踏力矩電壓Torque_Real；

對(duì)于直接配備腳踏角度傳感器的車子，真實(shí)的腳踏力矩大小可以無(wú)失真地還原，即：

其中Torque_Real為是真實(shí)的可用來(lái)計(jì)算電機(jī)輸出的力矩電壓，Torque_Sample是采樣到的力矩電壓，θ為腳踏角度傳感器的輸出角度，弧度單位，0度起點(diǎn)定義與圖2一致。

但是大部分助力車沒(méi)有配備腳踏角度傳感器，可以對(duì)力矩電壓進(jìn)行低通濾波來(lái)近似，本實(shí)施例采用簡(jiǎn)單易于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的一階低通濾波法：

Torque_Real(n)＝Torque_Sample(n)*(1-a)+Torque_Real(n-1)*a

其中Torque_Real(n)表示在n時(shí)刻的腳踏力矩電壓Torque_Real，Torque_Sample(n)表示n時(shí)刻采樣到的力矩電壓，a為濾波系數(shù)，0≤a≤1，a越接近于0，信號(hào)變化速度越快，a越接近于1，信號(hào)變化速度越慢。由于騎行者希望力矩增加時(shí)電機(jī)能夠迅速增加功率輸出，而力矩信號(hào)減小時(shí)不要馬上減小輸出，其實(shí)類似于檢測(cè)力矩信號(hào)在一圈中的峰值，但是與峰值檢測(cè)不同的是，力矩信號(hào)減小時(shí)也會(huì)對(duì)輸出有影響，電機(jī)功率要慢慢減小。因此本發(fā)明在處理力矩信號(hào)時(shí)對(duì)于信號(hào)增加和減小時(shí)要采用不同的濾波系數(shù)a，圖5為此算法流程圖。

本實(shí)施例中腳踏力矩電壓Torque_Real為：

其中Torque_Real(n)表示在n時(shí)刻的腳踏力矩電壓Torque_Real，Torque_Sample(n)表示n時(shí)刻采樣到的力矩電壓，Torque_Real(0)＝0。

此處信號(hào)上升時(shí)的濾波系數(shù)a為0.05，實(shí)際計(jì)算的信號(hào)基本上和最新采樣到的信號(hào)一致。信號(hào)下降時(shí)的濾波系數(shù)為0.995，實(shí)際計(jì)算的信號(hào)變化就非常緩慢，不隨著采樣信號(hào)的變化而產(chǎn)生迅速的變化。如圖6所示，淺色線為原始力矩信號(hào)，黑色線為經(jīng)過(guò)一階低通濾波后的力矩信號(hào)，可以看出經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)比原始穩(wěn)定了許多，又對(duì)上升信號(hào)有著足夠快的反應(yīng)速度。

(3)提取踏頻信號(hào)；

對(duì)于直接配備腳踏速度傳感器的助力車，踏頻信號(hào)T_f可以很容易地得到，即：

其中，N_f為腳踏速度傳感器每秒接收到的脈沖數(shù)，M_f為腳踏一圈時(shí)腳踏速度傳感器接收到的脈沖數(shù)。

對(duì)于沒(méi)有配備腳踏速度傳感器的助力車，需要從原始的力矩采樣信號(hào)Torque_Sample(n)中提取出踏頻信號(hào)，通常采用離散信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)，獲取其基頻分量作為踏頻信號(hào)T_f。

Torque_Sample(n)的快速傅里葉變換T_FFT(k)為：

其中N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，則踏頻信號(hào)T_f為T_FFT(k)的基頻分量。

(4)得到處理后的力矩信號(hào)。

踏頻信號(hào)是用于對(duì)上一步低通濾波后的力矩信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償用的，在人的做功一定的條件下，通常踏頻越快，力矩信號(hào)越小，因此需要對(duì)力矩信號(hào)乘以補(bǔ)償系數(shù)，踏頻越快，補(bǔ)償系數(shù)越大。

處理后的力矩信號(hào)Torque為：

Torque＝Torque_Real*k_comp

補(bǔ)償系數(shù)k_comp計(jì)算公式如下：

其中T_f的單位為Hz，當(dāng)踏頻為0Hz時(shí)，車輛剛起步，補(bǔ)償系數(shù)k_comp＝1；當(dāng)車速加快，腳踏越來(lái)越使不上太大的力，力矩信號(hào)變小，需要提高補(bǔ)償系數(shù)；當(dāng)踏頻為0.5Hz，即腳踏一圈需要2秒時(shí)，k_comp＝2，隨著踏頻的加快，補(bǔ)償系數(shù)越來(lái)越大，提供更輕松的高速騎行感覺。

處理后的力矩信號(hào)Torque可以直接利用PID閉環(huán)控制算法去控制電機(jī)的相電流，而電機(jī)的相電流在未飽和的情況下和電機(jī)的輸出扭矩是成正比的，這樣就實(shí)現(xiàn)了由人的踏力力矩到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的完整的控制過(guò)程。