一种基于NFC无线供电与通信的扭矩传感系统的制作方法

一种基于nfc无线供电与通信的扭矩传感系统
技术领域
1.本实用新型涉及无线供电和无线通信领域，尤其是涉及一种基于nfc无线供电与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”，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。采用电磁耦合线圈进行无线供电与无线发射和接收的通信的力矩传感器，无线供电发射芯片的工作频率通常在100khz—1mhz，导致无线供电线圈的尺寸通常较大，通常的无线供电芯片不具备无线通信功能，需要另外的无线通信电路模块进行力矩信号的传输，使得印刷电路板上的元器件较多板子面积较大，从而造成力矩传感器的整体尺寸较大，根据此传感器设计的电踏车用中置电机体积都比较大，使得车子整体比较笨重。在力矩采集时，采用电磁耦合线圈进行无线供电与无线发射和接收的通信的力矩传感器，经常会受到电机内部电磁环境和温度变化的影响，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的输出力矩的问题。


技术实现要素：

4.实用新型目的：为了克服背景技术的不足，本实用新型公开了一种基于nfc无线供电与通信的扭矩传感系统。
5.技术方案：本实用新型所述的一种基于nfc无线供电与通信的扭矩传感系统，包括固定件电路和旋转件电路，所述固定件电路包括：第一电源模块、微控制器模块以及nfc无线供电发射与通信模块，所述旋转件电路包括：第二电源模块、信号采集模块以及nfc无线供电接收与通信模块；
6.所述第一电源模块为nfc无线供电发射与通信模块供电，通过nfc无线供电接收与通信模块向第二电源模块供电，为旋转件电路的工作供电；所述信号采集模块采集力矩信号，通过nfc无线供电接收与通信模块传递至nfc无线供电发射与通信模块，进而传递至微控制器模块，控制电机输出。
7.进一步的，所述nfc无线供电发射与通信模块和nfc无线供电接收与通信模块连接方式为nfc无线供电发射与通信芯片和nfc无线供电接收与通信芯片通过互感线圈连接，实现供电及信号传递。
8.进一步的，所述信号采集模块包括应变片单元、低通滤波器单元及高精度adc微控
制器，所述应变片单元采集力矩信号，通过低通滤波器单元传递至高精度adc微控制器，转换为数字信号。
9.其中，所述应变片单元采用全桥贴设。
10.有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点为：
11.1、nfc无线通信中，nfc无线通信接收线圈将接收到的力矩信号传递给nfc芯片，进而传递给固定件一侧的微控制器控制电机输出，nfc无线通信的电磁波频率在13.56mhz远大于电机绕组发出的电磁波频率，使得力矩信号不会被干扰；
12.2、nfc无线供电中，第一电源通过nfc芯片向nfc无线供电发射线圈供电，传递给旋转件中的nfc无线供电接收线圈，为旋转件供电，nfc无线供电频率为13.56mhz相比于通常的无线供电芯片工作在100khz—1mhz的频率，无线供电线圈的尺寸可以设计的比较小；
13.3、力矩信号进而通过低通滤波器单元传递给高精度adc微控制器转换为数字信号，高精度adc微控制器内部的信号放大增益不会随温度变化，使得采集的力矩信号更为精准；
14.4、采用nfc无线供电与通信、高精度adc微控制器、全桥应变片贴设的方法，扭矩信号不会受到电磁环境和温度变化影响，并且力矩传感器的体积较小；
15.5、采用本实用新型系统的电踏车在电磁环境恶劣、温差较大的工况下工作时，降低传感器的零点漂移和比例因子漂移，可以给出一个更为精准的数据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；电踏车用中置电机可以设计的小巧，避免车子整体外观笨重。
附图说明
16.图1是本实用新型模块连接图；
17.图2是本实用新型应变片设置电路模拟图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
19.如图1所示的基于nfc无线供电与通信的扭矩传感系统，包括固定件电路和旋转件电路。固定件电路包括，第一电源模块，微控制器模块，以及nfc无线供电发射与通信模块。旋转件电路包括，第二电源模块，信号采集模块，以及nfc无线供电接收与通信单元。信号采集模块包括：应变片采集单元，低通滤波器单元，高精度adc微控制器单元。
20.所述第一电源模块为nfc无线供电发射与通信模块供电，通过nfc无线供电接收与通信模块向第二电源模块供电，为旋转件电路的工作供电；所述信号采集模块采集力矩信号，通过nfc无线供电接收与通信模块传递至nfc无线供电发射与通信模块，进而传递至微控制器模块，控制电机输出；所述信号采集模块包括应变片单元、低通滤波器单元及高精度adc微控制器，所述应变片单元采集力矩信号，通过低通滤波器单元传递至高精度adc微控制器，转换为数字信号。
21.将本实用新型的基于nfc无线供电与通信的扭矩传感系统应用于电踏车中，微控制器模块用于控制固定件进行电机驱动；应变片设于金属脚踏的中轴处，通过感应形变反应脚踏力。
22.其中无线供电与通信采用nfc无线供电与通信数字集成芯片方案，目的在于减小无线供电线圈的尺寸，取消掉无线通信电路模块减小印刷电路板的面积，整体减小力矩传感器的体积，根据此力矩传感器设计的电踏车用中置电机外观小巧，使得车子整体比较美观。工作原理为，nfc的工作频率为13.56mhz相比于通常的无线供电芯片工作在100khz—1mhz的频率，无线供电线圈的尺寸可以设计的比较小，另外nfc具备无线通信的功能，可以省去无线通信电路模块，印刷电路板的面积可以设计的比较小，整体力矩传感器的体积可以设计的比较小，根据此力矩传感器设计的电踏车用中置电机外观小巧，使得车子整体比较美观。
23.其中无线供电与通信采用nfc无线供电与通信数字集成芯片方案，目的在于力矩信号的传输不被电机绕组的电磁环境干扰，保证力矩信号的准确性。工作原理为，高精度adc微控制器通过串行数字接口来控制nfc无线供电与通信数字集成芯片，将力矩传感器的数字信号转换成电磁波模拟信号通过线圈发射出去，其通信的电磁波频率为13.56mhz远大于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。
24.其中adc芯片采用高精度adc微控制器芯片，目的在于传感器的比例因子不受温度变化的影响，当传感器在室内、外温差过大的工况下工作时，高精度adc微控制器内部的信号放大增益不会随温度变化，使其高精度adc微控制器采集到的应变桥的差分电压只与应变片形变有关，使得传感器输出更加精准的信号，用以控制电机的助力运行。
25.其中应变片采用全桥贴设，目的在于进行温度补偿，当应变片采集单元在室内、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。
26.如图2所示，r1工作应变片；rb补偿应变片。
27.不受力的情况下，电桥的输出电压u0＝a(r1r
4-rbr3)＝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。
28.当r3r4为常数时，r1rb对电桥的输出电压u0的作用方向相反。
29.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。
30.u0＝a[(r1 δr
1t
)r4-(rb δr
bt
)r3]＝0；δr
1t
、δr
bt
为温度带来的阻值变化。
[0031]
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。
[0032]
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)
[0033]
经过变片采集单元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。此电参数通过低通滤波器单元传递给高精度adc微控制器，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。
[0034]
本实用新型nfc无线通信中，nfc无线通信接收线圈将接收到的力矩信号传递给nfc芯片，进而传递给固定件一侧的微控制器控制电机输出，nfc无线通信的电磁波频率在13.56mhz远大于电机绕组发出的电磁波频率，使得力矩信号不会被干扰。
[0035]
nfc无线供电中，第一电源通过nfc芯片，向nfc无线供电发射线圈供电，传递给旋转件中的nfc无线供电接收线圈，为旋转件供电，nfc无线供电频率为13.56mhz相比于通常的无线供电芯片工作在100khz—1mhz的频率，无线供电线圈的尺寸可以设计的比较小。
[0036]
其中旋转件，对应的包括nfc无线供电接收与无线通信发射两个部分，与固定件相
配合；还包括力矩信号采集单元。
[0037]
其中力矩信号采集单元包括，全桥贴设的应变片，用于采集力矩信号。力矩信号进而通过低通滤波器单元传递给高精度adc微控制器转换为数字信号，高精度adc微控制器内部的信号放大增益不会随温度变化，使得采集的力矩信号更为精准。
[0038]
旋转件一侧的高精度adc微控制器采集到的力矩信号，通过nfc芯片的处理后通过nfc无线通信发射线圈传递给固定件一侧的nfc无线通信接收线圈。
[0039]
旋转件一侧的nfc无线供电接收线圈接收到固定件一侧的nfc无线供电发射线圈传递的能量后，通过nfc芯片传递给旋转件一侧的第二电源为其工作供电。
[0040]
上述nfc无线供电与通信的扭矩传感系统中由于采用nfc无线供电与通信、高精度adc微控制器、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，并且力矩传感器的体积较小。