用于EPS系统的SAW扭矩传感器的研究

摘要

近些年随着汽车领域向更加环保和安全的趋势发展，汽车零部件也逐渐由纯机械结构向机电一体化的方向发展，越来越多的功能单元开始使用电控装置进行工作。在众多功能单元中，转向模块作为汽车系统中的重要功能模块和直接操作单元，其性能直接影响汽车的驾驶感受。与传统的机械液压转向助力模式相比较，电动助力转向(Electronic Power Steering，EPS)系统在操控性和环保方面具有巨大优势，包括低速轻高速重的操控手感、更加简单的结构以及带来更高的空间利用率、节省燃油等。在电动助力转向系统中，扭矩传感器作为重要功能性部件，其性能直接关系到EPS系统的工作状态和安全性能。本文基于EPS系统和声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技术，研究一种适用于EPS系统的声表面波扭矩传感器。
　　本文分析EPS领域现有扭矩传感器的工作原理、优缺点，相应的阐述SAW扭矩传感器的技术优势和发展现状。从正逆压电效应、叉指换能器的结构和功能以及谐振器工作原理等最基本的理论入手，分析SAW扭矩传感器的基本原理，设计整个SAW谐振测量系统包括声表面波谐振器(Surface Acoustic Wave Resonator,SAWR)的结构、材料等，确定扭矩测量的理论可行性。通过分析固体力学理论及轴类扭矩测量原理，研究SAW扭矩传感器压电晶体的粘贴形式，作为扭杆结构设计及扭杆材料选择的依据。利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，对扭杆进行单独的受力分析，根据设计的压电晶体粘贴形式建立扭杆和压电晶体的整体系统数学模型，对其进行受力仿真和疲劳分析，最终根据仿真结果确定压电晶体的粘贴形式和扭杆结构。
　　无线无源特性是声表面波器件的重要特性，本文对实现无线无源系统的回波信号进行频率估计的算法研究。基于Welch算法和M-Rife算法提出结合Quinn算法的改进型M-Rife算法，利用Matlab仿真软件分析算法的可行性及其性能。算法能够提高信号处理的精度，克服传统FFT算法量化精度低带来的频率估计偏差，同时也解决M-Rife算法容易出现插值方向错误的问题，降低后端信号处理硬件电路的设计难度。
　　利用Multisim电路仿真软件完成了转换电路模块包括振荡电路、低通滤波电路、带通滤波电路、混频电路和整形电路的设计和仿真。利用Altium Designer软件对设计的电路绘制PCB，制作转换电路实体电路板，利用信号发生器和示波器验证转换电路的功能性。采用Altera DE2开发板实现对信号频率的最终检测工作。
　　本文将SAW扭矩传感器首次应用于EPS系统，为SAW扭矩传感器应用在小范围扭矩测量和扭矩信号快速采集的领域研究提供了一定的理论基础。同时，为EPS系统扭矩采集处理方式提供新的方法，对于提高EPS的性能起到关键性作用，推动其向更加稳定和更加安全的方向发展。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状及其发展趋势

1．2．1 EPS系统扭矩传感器发展现状

1．2．2 SAW扭矩传感器研究现状及发展趋势

1．3 本文主要研究内容

2 SAW扭矩传感器测量原理

2．1 SAW传感器的基本原理

2．1．1 固体的应力、应变与压电效应

2．1．2 叉指换能器

2．1．3 SAWR概述

2．2 谐振型SAW扭矩传感器测量系统设计

2．3 本章小结

3 SAW扭矩传感器结构设计及优化

3．1 轴类扭矩测量原理

3．2 扭矩测量补偿

3．2．1 差分测量原理及补偿实现方法

3．2．2 温度补偿TSAWR原理

3．3 转向轴材料选择及结构设计

3．4 压电基片的设计

3．4．1 压电基片材料的选择

3．4．2 压电基片粘贴形式设计及应力仿真分析

3．4．3 压电基片应变与扭矩的关系

3．5 本章小结

4 SAW扭矩传感器信号处理算法研究

4．1 无线无源测量系统工作原理

4．2 扭矩检测查询系统设计

4．2．1 查询系统结构

4．2．2 信号查询及回波响应

4．3 回波信号处理

4．3．1 回波信号模型

4．3．2 回波信号的衰减性质

4．4 频率估计

4．4．1 频率估计概述

4．4．2 Welch频率估计算法

4．4．3 M-Rife频率估计算法

4．4．4 基于Welch和Quinn的改进型M-Rife频率估计算法

4．5 本章小结

5 SAW扭矩传感器硬件电路设计

5．1 振荡电路设计

5．1．1 振荡电路的基本原理

5．1．2 振荡稳定条件

5．1．3 SAW器件的等效电路

5．1．4 SAW振荡电路设计与仿真

5．2 滤波电路及混频整形电路设计

5．2．1 低通滤波电路设计

5．2．2 带通滤波电路

5．2．3 混频电路设计

5．2．4 整形电路设计

5．2．5 转换电路试验分析

5．3 频率检测

5．3．1 频率检测原理及误差分析

5．3．2 仿真分析及测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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