宗炳辰
(臨沂職業(yè)學(xué)院 建筑工程系,山東 臨沂276017)
扭矩傳感器是測(cè)量各種電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩的重要設(shè)備,發(fā)展至今可測(cè)的精度與性能也不斷增高[1]。傳統(tǒng)的接觸式扭矩傳感器與旋轉(zhuǎn)軸直接接觸,由于其安裝位置不當(dāng)或接觸測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的干擾力均會(huì)影響旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然而此類干擾又是隨機(jī)的,難以評(píng)估和定量,這便導(dǎo)致了控制的準(zhǔn)確性難以保證。由此產(chǎn)生了非接觸式傳感器,其綜合利用了已有的扭矩測(cè)量技術(shù)和方法,通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和升級(jí)實(shí)現(xiàn)非接觸的扭矩測(cè)量目標(biāo)。其采用了兩組特殊的環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的輸入,并克服了傳統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷,而輸出信號(hào)采用無(wú)線電遙測(cè)的方法,從而解決了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中能源及信號(hào)在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分間的可靠傳遞問(wèn)題。達(dá)到了扭矩信號(hào)的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小、旋轉(zhuǎn)方向的無(wú)關(guān),且既可測(cè)量靜態(tài)扭矩、旋轉(zhuǎn)扭矩,又可測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩[2-3]。
文中利用現(xiàn)有的CX07型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器,以單片機(jī)(R8C/25)作為數(shù)據(jù)核心,設(shè)計(jì)了電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀的硬件電路和軟件程序,并完成了對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、處理和顯示工作。
CX07型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器是一種非接觸式傳感器[4],其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1 結(jié)構(gòu)原理圖
該傳感器主要采用應(yīng)變電測(cè)原理,將專用的應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋,向應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小形變后,粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生變化,將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量電橋,應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的變化進(jìn)行測(cè)量。電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后送到V/F變換器,再經(jīng)信號(hào)輸出電路輸出頻率可調(diào)的方波信號(hào)。其輸出脈沖頻率特性曲線如圖2所示,傳感器的扭矩輸出頻率與對(duì)應(yīng)的扭矩值基本成線性關(guān)系,實(shí)際應(yīng)用中由于測(cè)量準(zhǔn)確度要求不超過(guò)標(biāo)稱值,因此無(wú)需通過(guò)逐段參數(shù)標(biāo)定來(lái)完成計(jì)算。
圖2 輸出脈沖頻率特性曲線
傳感器扭矩輸出零點(diǎn)頻率f0=10 kHz;正向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)fp=15 kHz;反向旋轉(zhuǎn)量滿量程fr=5 kHz;在時(shí)間T內(nèi)扭矩輸出頻率脈沖計(jì)數(shù)值為N1,則正向扭矩時(shí)計(jì)算如式(1)所示,負(fù)向扭矩如式(2)所示。其中扭矩量程N(yùn)=30 N·m。
在傳感器的轉(zhuǎn)軸上安裝60條齒縫的測(cè)速輪,在傳感器外殼上安裝一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開(kāi)關(guān)架,當(dāng)測(cè)速輪的各個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮住時(shí),光敏三極管便輸出一個(gè)高電平,當(dāng)光線通過(guò)齒縫射到光敏管的窗口時(shí),光敏管則輸出一個(gè)低電平,旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈可得到60個(gè)脈沖,因此,每秒檢測(cè)到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。該傳感器測(cè)量的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。
軸輸出功率P由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的扭矩及轉(zhuǎn)速值間接測(cè)量。被測(cè)電機(jī)輸出的功率與扭矩的關(guān)系有P=Tem·Ω。其中Tem為被測(cè)電機(jī)的扭矩,Ω為機(jī)械角速度。
系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度大多取決于頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度。分別以傳感器輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)周期可在200~2 000 ms間根據(jù)需要選擇,且計(jì)數(shù)周期越長(zhǎng),測(cè)量精度越高,而時(shí)效性則越差。
硬件電路主要包括電源電路和單片機(jī)檢測(cè)電路兩部分[5-8]。
電源是整個(gè)硬件電路的核心,電氣設(shè)備缺少電源便無(wú)法工作。電源電路如圖3所示,提供兩路隔離直流穩(wěn)壓電源,一路±12 V為傳感器供電,一路+5 V為單片機(jī)檢測(cè)電路供電。
圖3 電源電路板
獲得直流穩(wěn)壓電源的方法主要有兩種:開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電源輸入整流電壓與輸出電壓之差全部施加在控制開(kāi)關(guān)管上,輸出電流通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管流過(guò)的電流,噪聲大。而線性穩(wěn)壓電源在小型局部穩(wěn)壓電路中應(yīng)用廣泛,且產(chǎn)生較小的電氣噪聲,直流輸出電壓包含的紋波電壓也較小,可充當(dāng)穩(wěn)定性較好的電源。傳感器對(duì)噪聲較為敏感,故采用線性穩(wěn)壓器較為合適。
輸入電源是交流的,需經(jīng)過(guò)變壓器變換成所需的電壓值,再經(jīng)整流、濾波變成直流電供給電路。該直流電源,受到輸入AC220 V的變化、變壓器和整流二極管本身的壓降等因素的作用,電壓的穩(wěn)定性和精度易受到影響,嚴(yán)重時(shí)將使設(shè)備無(wú)法達(dá)到預(yù)期的性能要求。為此,采用78系列三端子穩(wěn)壓器與整流電路配合,提供穩(wěn)定的所需電壓。通常1 A的3端子穩(wěn)壓器最大允許損耗為15 W,在實(shí)際中TO-220的穩(wěn)壓封裝,使用時(shí)溫度上升,所允許的功率損耗不得超過(guò)1 W。78系列輸入輸出必須確保輸入輸出間的最低壓差為3 V以上,且該電壓差必須是整流電壓紋波電壓的最低值。在此壓差下所產(chǎn)生的輸出電流,會(huì)以熱能的形式損耗,需在使用過(guò)程中安裝散熱器。根據(jù)傳感器和整個(gè)電路系統(tǒng)的功耗,設(shè)定變壓器的功率為10 W,電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀研制中為了獲取±12 V的電源,變壓器的兩路輸出參數(shù)為15 V/0.2 A,為獲取+5 V的直流穩(wěn)壓電源,變壓器的另一路輸出參數(shù)為8 V/0.5 A。
±12 V電源電路如圖4所示。兩個(gè)變壓器與平滑電容C1和C2間的中點(diǎn)相連,若設(shè)該點(diǎn)的電壓為0 V,則可輸出絕對(duì)值完全相等的正負(fù)電壓。且觀察電容器C1、C2,也可將其看成是兩個(gè)獨(dú)立的全波整流電路。
圖4 正負(fù)電源電路
圖5 單片機(jī)檢測(cè)電路板
首先,傳感器輸出幅值為5 V的兩路信號(hào)分別為扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)。經(jīng)光耦隔離、整形后給單片機(jī)檢測(cè),提高系統(tǒng)的抗干擾能力。HCPL-2631具有超高速10 Mbit·s-1,內(nèi)部噪聲屏蔽提供優(yōu)越的共模抑制為10 kV/μs。內(nèi)部原理如圖6所示,雙通道光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管耦合到另一個(gè)較高的高速集成光電探測(cè)器。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管,使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)進(jìn)一步放大后輸出。便完成了電/光/電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入和輸出隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣和抗干擾的能力。同時(shí)由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件,因此具有較強(qiáng)的共模抑制能力。輸入需加限流電阻將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),輸出則采用集電極開(kāi)路,需加上拉電阻。
圖6 HCPL-2631原理圖
傳感器在使用過(guò)程中伴隨著機(jī)械震動(dòng)和環(huán)境變化等均可能導(dǎo)致零點(diǎn)頻率發(fā)生漂移,影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。為此設(shè)置了零點(diǎn)校驗(yàn)按鍵,利用單片機(jī)的外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)進(jìn)入中斷,將當(dāng)前零扭矩的頻率作為零點(diǎn)頻率。
最終,扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀提供了3個(gè)5位顯示窗口,實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的扭矩、轉(zhuǎn)速以及功率值。LED數(shù)碼管工作方式有兩種:動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián),由位選線控制某位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示,所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選,利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用,使人感觀上認(rèn)為似乎各位數(shù)碼管均在顯示。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管的段選必須接一個(gè)8位數(shù)據(jù)線來(lái)保持顯示的字形碼。當(dāng)送入一次字形碼后,顯示字形可始終保持,直到送入新字形碼為止。該方法的優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時(shí)間少,且顯示便于監(jiān)測(cè)和控制。因此在設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)顯示的方式,其顯示更加清晰,同時(shí)也提高了顯示的效果。
數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管點(diǎn)亮需5 mA以上的電流,由于單片機(jī)I/O口無(wú)法送出較大的電流,所以數(shù)碼管與單片機(jī)連接需加驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)通過(guò)74HC573驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管,其輸出電流大,電路接口簡(jiǎn)單,通過(guò)單片機(jī)以及鎖存器便可控制任意數(shù)碼管顯示數(shù)字。
軟件采用定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)方式,程序主要包括以下子程序[9-12]:(1)系統(tǒng)時(shí)鐘:包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化;定時(shí)器RA、RB初始化;INT0、INT2初始化。(2)扭矩測(cè)量:定時(shí)器RA的事件計(jì)數(shù)模式控制扭矩脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。(3)轉(zhuǎn)速測(cè)量:外部中斷INT0來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。(4)零點(diǎn)校正:零點(diǎn)頻率的校正。(5)顯示程序:將當(dāng)前的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率顯示在數(shù)碼管上。
程序中要對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),定時(shí)周期為1 s,用RB定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。利用單片機(jī)的定時(shí)器RA外部事件計(jì)數(shù)模式來(lái)對(duì)扭矩信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),從而計(jì)算扭矩信號(hào)的頻率,再根據(jù)扭矩的計(jì)算式(1)或式(2)便可測(cè)量出當(dāng)前的扭矩值。由于單片機(jī)只有RA具有外部事件計(jì)數(shù)模式,便采用外部中斷INT0對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),以一個(gè)脈沖進(jìn)入中斷,計(jì)數(shù)加1則可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)數(shù),從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此時(shí)可將當(dāng)前的扭矩值和角速度值相乘計(jì)算出功率值。單片機(jī)通過(guò)I/O口控制對(duì)應(yīng)鎖存器的鎖存端口,便能夠?qū)⑴ぞ刂岛娃D(zhuǎn)速值顯示在對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管上。零點(diǎn)校正利用單片機(jī)的INT2,系統(tǒng)檢測(cè)到“置零”按鍵按下時(shí),進(jìn)入中斷服務(wù)程序,將當(dāng)前零扭矩的頻率作為零點(diǎn)頻率。
圖7 程序流程圖
電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,由于機(jī)械振動(dòng)、溫度以及濕度等因素會(huì)發(fā)生零點(diǎn)頻率漂移現(xiàn)象,所以傳感器需手動(dòng)調(diào)節(jié)零點(diǎn)頻率調(diào)節(jié)器,使其輸出零點(diǎn)頻率約在10 kHz。傳感器的校驗(yàn)主要采用掛碼校驗(yàn)法,包括了正矩和反矩的校驗(yàn)。
首先,進(jìn)行正矩校驗(yàn),將傳感器平穩(wěn)的放在校驗(yàn)儀上,在傳感器的正矩方向加30 N·m的力矩,待平衡后卸載,測(cè)定輸出頻率為正矩零點(diǎn)頻率。隨后從零逐次增加3 N·m力矩,記錄各點(diǎn)的輸出頻率。當(dāng)力矩加到30 N·m時(shí),進(jìn)行卸載,每次減少3 N·m的力矩,直至完成全部卸載。
而反矩校驗(yàn)的方法和正矩相同,僅是力矩的方向相反。在傳感器的反矩方向加30 N·m的力矩,力矩平衡后卸載,測(cè)定輸出頻率是反矩的零點(diǎn)頻率,然后逐次增加3 N·m的力矩,待力矩增加到30 N·m時(shí)進(jìn)行逐次卸載。
最終,扭矩信號(hào)各點(diǎn)的頻率記錄如表1所示。實(shí)際中用示波器測(cè)量傳感器的扭矩信號(hào)零點(diǎn)頻率誤差在30 Hz內(nèi),在運(yùn)行過(guò)程中頻率誤差在20 Hz內(nèi),扭矩的測(cè)量精度達(dá)到1 %。用轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差在1~2轉(zhuǎn)范圍內(nèi),轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度達(dá)到了0.1 %。
表1 電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器校驗(yàn)
首先介紹了CX07型電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理,分析其輸出扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的脈沖頻率特性。其次,設(shè)計(jì)了電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀的硬件電路以及編制軟件,并利用單片機(jī)的外部脈沖計(jì)數(shù)功能和外部中斷,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速高精度的測(cè)量。最終,對(duì)傳感器進(jìn)行校驗(yàn),驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
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