[知识介绍]精度1% ?!!!（上） #解剖功率1/7# [复制链接]

详解功率计工作原理与性能评估,第1集 精度1%
通篇没有打算具体说谁好谁坏
本文旨在剖析功率玩法,让其真正走近大众,除了硬件和价格外,我们更需要的是知识
大约3成的​玩家,第1句话都是你们的精度怎么样?而这1%~2%的数字到底是怎么来的?先看个目录
1，检测位置
2，形变量vs强度​
3，形变模式
4，环境影响
5，工程量产
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0，功率：
功率=扭矩x转速，先讲扭矩，也就是检测传动部件各个地方的受力形变量所获得的数据
1，检测位置：
测力元件需要（一般为丝栅式电阻应变计）在力量传递的主要路径上，这个最直观且容易理解，力量从鞋底开始，依次传递到脚踏、曲柄、（轴心）盘爪、盘片、链条、飞轮、花鼓，最后到达车轮。每个位置都有各自的优劣之分


2，​形变量vs强度
几年前，大家才在SRM的拆解中发现，“功率元件是会降低该零件强度的”，而事实就是这样，扭矩通过将测量位的形变量所造成的电位变化进行放大（下文展开），从而计算得到最终数据。而如何让检测位既获得大形变量，又不至于在车手1500瓦特冲刺时损坏（塑性形变）就是技术活了。


3，形变模式
形变模式需要尽可能纯粹，此时第1受力点（脚踏）并不是理想位置，因为发力习惯的不同，很可能在各个方向上都会受力（无效力）而经过一些部件的传递后，受力方向更唯一，形变模式也就更纯粹了。


4，环境影响
形变模式不受外界条件改变的影响，例如骑行者的发力方式、是否穿锁鞋、不同的链轮或链条等等
5，工程安装
方便、效率，贴装的过程是成本的重要一环
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总结：
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从这个角度来看，盘爪、花鼓，其实是最适合作为功率计用途的位置。
功率飞轮由于不同档位下受力位置差异明显，需要轴承结构提供径向支撑力来保证数据准确，整体结构复杂；
曲柄式功率计的曲柄通常不是专门为了测力用途而制造，形变量偏小，必须使用全桥式电桥才能达到足够的测量精度，且曲柄本身的扭转量比弯曲量还要大，形变模式不纯粹；
脚踏式功率计从表面看似乎是“最直接”的地方，但是作为第一受力点，其受到的力量远远不止切向踩踏力，还包括了径向、轴向的无效踏力，需要完善的算法做过滤，且内部空间狭小不利于放置测力元件。
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因为这些因素，盘爪和花鼓，也是最早出现的功率计形式。
从表面上看，盘爪的受力方式纯粹，即仅受到通过盘片传递过来的链条拉力、曲柄传递过来的扭力。然而这种受力方式，离理想的纯扭模式，可以说还有一步之遥。如何使盘爪在实际受力环境下给应变计带来的电位变化和纯扭模式逼近，就是盘爪功率计设计的关键点。
由于历史遗留原因，公路牙盘盘片多为五孔设计。这为功率计设计带来了一个难题，究竟是采用4个等距分布的腿呢，还是和孔数相同的5个腿呢？


9000盘爪的不等距分布，其实就和五爪一样，对4个应变腿造成的形变是不一样的






​
对于前者而言，4个腿上面正好贴装4个或8个应变计，能组成两个或者四个全桥电路，从应变计采样精度本身来说精度较高；
然而因为腿数和孔数不等，盘爪外框架需要做得比较厚实以在受力时尽量保持正圆，从而使得不同腿的形变模式基本相同；
反之对于后者而言，盘爪基本呈72度旋转对称，即使外框架较轻薄，腿的形变模式也基本一样，但是从电路本身来看精度却差了一半。
这两个流派并没有绝对的优劣之分，SRM和power2max采用4爪设计，而quarq则采用5爪设计。Pica-S兔爪使用的也是5爪设计，以获取尽量轻薄的外形。
​


​


​以上是机械结构部分
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以下是电子部分
（很难看懂的部分会有预警，不要怕）
一样先来目录：
误差源：
1，应变片误差
2，电磁干扰
3，环境温度
4，热噪声
5，运算放大器
6，放大电路相关电阻
7，供电电压
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（4、5、6条难看懂）
1，应变片误差
由于应变片生产工艺分散性会导致其初始阻值有一定差异；（SRM比较粗暴，扔掉偏差较大的，后面会说pica如何解决）
同时贴装操作，表面平整度也会进一步加大其误差，最终一般在0.2-0.3%左右，但基本不再发生变化。（应变片测量满量程时电阻值变化约0.1-0.2%）
2，电磁干扰

任何电器都会发出电磁波，在功率计的电路和导线上感应出微弱噪声电压；
同时设备在运动时候，由于切割静态磁场（如地磁场），也会产生微弱噪声电压。
若不加以处理，此部分引起扭矩测量误差值大概可以到满量程5%-10%。

3，环境温度
温度会影响各种电子元件的性能，尤其是电阻值；
此外，由于应变片金属栅丝、基底、弹性体三者热胀冷缩系数不同，温度变化时会让栅丝产生额外形变造成应变片电阻值变化。
4，热噪声
应变片及各电阻、半导体器件，由于电子的热布朗运动，会产生额外的噪声电压，如果不加以处理，引起扭矩测量误差可达满量程5%左右

5，运算放大器
运算放大器输入失调电压会对测量值造成一定影响，其受温度的影响也会加剧温度对测量结果影响；
输入偏置电流也会在运放两输入端产生一定电压，其差异会导致测量误差，也会加剧温度对测量结果影响。
6，放大电路相关电阻
检测出的扭矩信号非常小，需要放大数百至数千倍不等用以运算；
由于放大电路的放大倍率几乎完全由形成深度负反馈的电阻回路构成，外围电阻的误差和温度漂移会影响放大倍率，进而影响测量结果。

7，供电电压
供电端噪声会影响模拟电路部分的性能；
由于应变片、放大器考虑到功耗问题不能持续供电，应变片供电、放大器供电，最终数字量化的模数转换器供电电压无法做到直接，因此存在差异，此部分不加处理会导致测量误差达满量程2-3%
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不加处理、不加处理、不加处理
下面说说怎么处理（其实看看目录就可以了）
1，完全对称差分式三运放放大电路结构
2，采样转换异步工作模式

3，多重独立供电与电压误差修正

4，软硬件自动归零机制
（非专业人士阅读下文可能引起不适，请在家长陪同下阅读）

------------------------------------------------高能预警---------------------------------------------------------  

1，完全对称差分式三运放放大电路结构
由于温度，外围电磁干扰对整个设备影响程度相同，因此设计了高度对称的信号采集和处理的差分电路来实现。
我们采用的剪切力应变片，两个正交方向栅丝，在支架受力时候，一个阻值增大，一个阻值减小。


​将其分别放在两臂，与另外两个定值电阻组成惠斯通电桥结构；
随后对Vout处压差进行放大即可获取和所受扭矩相关的电压信号。
由于两臂电路完全对称，温度，电磁干扰对其影响相同，因此只会对Vout两端点的绝对电压造成影响，不会影响其差值。


​
放大部分，采用的是3运放差分放大电路结构。
由于使用了最新的NRF52832的微控制器，其模数转换模块有差分转换能力，含有一个最右侧的运放电路结构，因此可以直接利用此现成电路结构，实际只需要使用两个高精度运放即可实现。






​​由于输入直接连接运放的输入端，具有非常非常高的输入阻抗，同时不会出现传统运放输出通过反馈网络向输入注入电流导致其电位发生变化的情况；
由于两路输入皆接入运放的+输入，内部电路结构也完全相同，因此各种外围因素造成的影响会由于这种高度对称性抵消的更加彻底。输出端部分同理。
2，采样转换异步工作模式
热噪声会导致应变片电桥部分输出电压产生毛刺。
热噪声的频谱范围相对比我们实际需要的信号的频谱范围要高一些，基本不重叠，一般可以通过对信号进行先行的放大和模拟低通滤波来滤除这部分干扰；
但由于应变片电桥耗电量极高，如果持续保持工作状态，差不多是最终整机功耗的20倍，因此不得不采取先采样，后处理的方式，减少应变片电桥开通的时间比例来降低功耗。
采样速率高低同样影响着功耗。根据奈奎斯特原理，采样率达到实际信号频率2倍即可正确的恢复信号；
根据实际工程经验，一般5倍实际信号频率即可较好的恢复信号波形。踩踏时，力矩实际变化频率为2-4Hz（60-120rpm），而我们采用的40Hz采样率，达到10倍实际频率，可以非常完美恢复实际扭矩波形。
然而，由于超过采样率的高频率的热噪声存在，采样时会出现混叠效应，导致原本这些可以很轻松过滤掉的高频热噪声“转化”成了和实际扭矩信号一样频率范围的低频噪声。


​


灰色为高频的噪声，黑色箭头为采样时间点，红色曲线为根据采样结果恢复出来的噪声的波形，可见其频率大大降低。其频率越接近采样率的整数倍频率，“转化”的频率也会越低。
此问题唯一解决方案就是提高采样转换率，但更高频率的模数转换会大大增加功耗。
因此，我们外加了一套独立的采样保持+模拟滤波电路，将采样和转换分离，以高达500Hz的采样频率对电桥电压进行模拟信号的采样和保持，随后将此模拟电压信号送至模拟放大电路进行放大和模拟信号有源低通滤波，由此最大程度减少混叠效应，同时更好对噪声进行过滤，再以经济的40Hz频率对此信号进行转换量化处理。由此得以在几乎不增加功耗的情况下，避免了热噪声和采样量化对测量造成的误差。
3，多重独立供电与电压误差修正
由于MCU处于脉冲工作状态，其供电电流有非常大波动，会在整机1.8V供电线上产生噪声。因此模拟部分供电首先经由一个PI型LC滤波电路，以减弱数字电路部分供电的干扰。
应变片电桥的供电电压会很容易影响其测量结果，因此，相比一般以一个MOS管来控制应变片电桥的方案，我们采用了一个高精度可关断的串联电压参考源对其提供精度达0.2%的1.225V供电电压，且其内部的温度补偿保证其在全温度范围下也能满足这个精度要求，一定程度也减少温度的影响。
此外，用于硬件调零的电桥偏置电压也是由相同精度级别的电压参考源的电压信号，通过MCU的开漏方式（即避免和MCU供电电压相关）产生的PMW信号后低通滤波产生，也保证了此部分微调信号的精度和稳定性。
模数转换时，转换的参考电压选择为内部0.6V基准，同时，每次转换除放大器输出外，还转换一次高精度1.225V电压参考源的值，由此来修正内部实际0.6V基准电压的误差，最大程度保证转换结果和应变片电阻变化直接对应，不受供电电压，内部参考电压误差的影响。
4，软硬件自动归零机制
应变片和放大相关电阻误差会影响不受力时候电桥的输出，甚至会导致放大器输入超量程饱和。一般功率计只具有软件归零机制，即得到不受力时候测量值，用实际测量值和其相减消除。然而对于会导致放大器输入超量程或量程严重压缩的情况，只能通过打磨应变片微调阻值，或者外加一个微调电阻人工调节方式修正。而我们通过对电桥两臂注入一个精确且可控的偏置电流，即可补偿此两者的误差，且此过程可由程序自动判断，自动执行，即使未来因为一些原因出现变化，也可自己修正，而不需要返厂人工调校。
----------------------------------------------   上集完   ---------------------------------------
下集预告：（明天就有）
标定过程
温度补偿
1%这个数字怎么来的

这个可以加精

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厉害了…模电都出来了

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吓 先看看洗衣欧怎么（chui）科（liu）普（bi）

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兔子会不会推出 自家的盘片，然后宣称搭配自家盘片的兔家爪盘功率计误差可减少0.01%

yikki:兔子会不会推出 自家的盘片，然后宣称搭配自家盘片的兔家爪盘功率计误差可减少0.01%[表情] [表情] [表情]  (2016-10-12 13:39) 

山地盘爪送正负盘片的~

yikki:兔子会不会推出 自家的盘片，然后宣称搭配自家盘片的兔家爪盘功率计误差可减少0.01%[表情] [表情] [表情]  (2016-10-12 13:39) 

你觉得这种技术文的营销手法SB吗?

这是我见过最有技术含量的软文，唯一看的懂的就是，可以买买买

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好家伙，上集还是1/7部分，全篇几万字？

继续关注

150448215:好家伙，上集还是1/7部分，全篇几万字？ (2016-10-12 13:50) 

发布会稿子写不出来

先整点写得出的~

什么时候有折叠扣呢？

我居然全部看懂了

做一个产品设计的时候，基本上方方面面的因素都会考虑到，但是像楼主这样形成规范文字的习惯大多数工程师都很难做到。因此方方面面因素是否能考虑的全面，就是目前工程师水平差异的表现。

所以，这篇文章是否能学习到的功率计姿势是次要的，重要的是工程师能学习到并养成写规范文档的能力。

chenmon:什么时候有折叠扣呢？ (2016-10-12 14:00) 

看头像!!!

这头像改的好评。

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完全 看不懂  帮顶~~

easytolove:你觉得这种技术文的营销手法SB吗? (2016-10-12 13:45) 

[肯定状] SB！



话说我的山地牙盘、曲柄很容易遭遇撞击，这样是不是很容易损坏功率计？

eomore:[肯定状] SB！
[表情]
....... (2016-10-12 14:45) 

曲柄没问题,盘片估计会有影响(一点点)

所以功率飞轮是被放弃了吗

感觉好犀利,但并不明白的吃瓜群众路过.

warpblade:所以功率飞轮是被放弃了吗 (2016-10-12 14:56) 

你哪理解出来这层意思的- -

latentman:感觉好犀利,但并不明白的吃瓜群众路过. (2016-10-12 15:08) 

shut up and take my money

为嘛不出个后变速的功率计。。。省好多事

easytolove:你哪理解出来这层意思的- - (2016-10-12 15:20) 

如果光看这篇文章，完全看不出你们还做过功率飞轮。。。只提了一句功率飞轮难做，剩下的都在说盘爪

所以起码从写这篇文章的人的意识来讲，功率飞轮已经是被放弃了。。。不然至少会在功率飞轮结构复杂那句话后面得瑟一下说我们怎么怎么做的

warpblade:如果光看这篇文章，完全看不出你们还做过功率飞轮。。。只提了一句功率飞轮难做，剩下的都在说盘爪
所以起码从写这篇文章的人的意识来讲，功率飞轮已经是被放弃了。。。不然至少会在功率飞轮结构复杂那句话后面得瑟一下说我们怎么怎么做的 (2016-10-12 15:30) 

科普文就不要打广告了嘛~

真正想广告出来的内容是兔子团队的"靠谱"(比如思路缜密之类的)

飞轮是拳头产品,不会放弃的~

tommot218:为嘛不出个后变速的功率计。。。省好多事 (2016-10-12 15:22) 

为嘛不找个女朋友呢?不寂寞吗?

warpblade:如果光看这篇文章，完全看不出你们还做过功率飞轮。。。只提了一句功率飞轮难做，剩下的都在说盘爪
所以起码从写这篇文章的人的意识来讲，功率飞轮已经是被放弃了。。。不然至少会在功率飞轮结构复杂那句话后面得瑟一下说我们怎么怎么做的 (2016-10-12 15:30) 

飞轮第二代已经在打样了，改动高达8成，明年初夏差不多了

easytolove:shut up and take my money (2016-10-12 15:20) 

greedisgood 99999

虽然不太懂功率计  但是感觉很厉害厉害