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声表面波转向扭矩传感器结构设计与信号处理电路的研究
| 论文题名： | 声表面波转向扭矩传感器结构设计与信号处理电路的研究 |
| 关键词： | 电动助力转向系统;转向扭矩传感器;结构设计;信号处理电路;声表面波检测;力学仿真 |
| 摘要： | 随着科技领域技术的不断提高和创新，安全、环保、节能以及人性化设计也成为汽车发展的必然方向。转向系统是整车重要的系统之一，其性能直接影响整车的舒适性和安全性、稳定性等。目前，汽车市场上主要应用的助力转向系统为液压式、电子液压式、电动助力式，其中电动助力转向系统（Electric Power Steering System，EPS）燃油消耗低、高低速转向性能稳定、助力效果明显以及结构紧凑、质量轻等优点在市场占有率逐步提高。扭矩传感器为EPS系统主要组成部分之一，精准性直接影响EPS性能，如灵敏性、稳定性、可靠性等。论文通过介绍市场上应用于EPS系统的主要几类传感器及其优缺点、发展趋势，并详细介绍了声表面波技术（Surface Acoustic Wave，SAW）以及SAW扭矩传感器的目前发展概况。通过理论分析、有限元力学仿真以及检测电路仿真和实验，设计了一种直接输出数字信号的声表面波转向扭矩传感器。 论文建立了不同压电基片不同切型变换的张量坐标变换公式和无偏置应力条件下声表面波在压电介质中传播的本构方程，基于Matlab中脚本文件编写了无偏置应力下与偏置应力下SAW波速快速求解程序，其求解结果和理论结果相一致，可适用于压电材料不同切型下声波传播速度的快速求解。通过扭矩传感器文献研究并借助于大型有限元分析软件COMSOL Multiphysics对扭杆进行力学和疲劳寿命仿真分析，确定扭杆和压电基片材料和传感器整体结构，建立扭矩与检测频率之间的线性变化关系，确定信号处理电路处理的信号频率范围。 论文采用了Multisim软件完成传感器振荡电路、滤波电路、混频电路和整形电路的设计和模拟，并借助PCB设计软件Altium designer完成电路板设计，电路板检测实验证明该电路可实现信号转换功能，可用于后续的SAW振荡器检测和研究。最后基于FPGA技术，借助Quartus II软件，采用Verilog硬件描述语言和原理图输入方式综合完成分频器、计数器和锁存器、显示模块和顶层原理图的设计和仿真，并借助51单片机以及AX301开发板完成计数器部分的检测实验工作，计数电路测量误差低于1%，可应用于脉冲频率的检测和显示，降低了检测电路的成本且扩大了测量的范围。结合前面的信号转换电路板，可直接对差分结构的SAW信号进行处理，为后续的实验节省了大量的数据采集时间，实验检测操作更为简便。 本论文的工作属于SAW转向扭矩传感器研究中的一部分，其理论研究、结构设计以及信号检测电路的设计和实验电路的检测为后续进一步研制工作奠定良好基础。 |
| 作者： | 李晓英 |
| 专业： | 载运工具运用工程 |
| 导师： | 李志鹏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东北林业大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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