高華東， 崔 婕

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院， 北京100074）

0 引言

動態(tài)扭矩傳感器用于扭矩測量、 轉(zhuǎn)速及機械功率測試等，在工業(yè)控制、測試測量、航空航天等領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。

由于機械結(jié)構(gòu)的限制， 動態(tài)扭矩傳感器通常采用無線供電的方式， 通過線圈耦合實現(xiàn)電能由定子向轉(zhuǎn)子的輸送，在通過整流和濾波，得到直流電壓。

動態(tài)扭矩傳感器的應(yīng)變信號為微弱信號， 一般為0.5mV/V～2mV/V，因此在測試測量中，不可避免的受到較大干擾。 動態(tài)扭矩傳感器的干擾主要有內(nèi)部干擾和外部干擾。 外部干擾指外界的干擾波和環(huán)境因素如電磁干擾靜電干擾， 內(nèi)部干擾主要指傳感器采集信號和信號模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中以脈沖干擾的方式對信號造成誤差， 還存在于所有電子器件和傳輸介質(zhì)中以電子熱振動導(dǎo)致的溫度變化所引起的熱噪聲。 由于動態(tài)扭矩傳感器采取線圈耦合供電的方式進行供電，周期性脈沖干擾較為嚴(yán)重。

對內(nèi)部干擾采取軟件濾波，不緊可以簡化硬件電路，還可以避免硬件的二次干擾，且降低成本。 采用滑動平均濾波算法，可以消除周期性脈沖干擾和高斯噪聲，但是當(dāng)窗長度較短時，濾波效果不明顯，窗長度較長時，延時又比較嚴(yán)重。 為了取得較好的濾波效果并保持較好的頻率特性，對卡爾曼濾波算法進行改進，將滑動平均濾波算法與卡爾曼濾波算法進行組合的方式， 提高了動態(tài)扭矩傳感器的測試精度。

1 動態(tài)扭矩傳感器結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計

動態(tài)扭矩傳感器由電源系統(tǒng)、惠斯通電橋、放大器、AD 轉(zhuǎn)換、微處理器、無線發(fā)射模塊及其外圍電路組成，見圖1。

定子供電一般為直流電源。 為了通過線圈將電能輸送給轉(zhuǎn)子， 需要通過逆變電路將直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓， 在轉(zhuǎn)子上再通過整流濾波轉(zhuǎn)化為直流電壓。 該過程也是干擾產(chǎn)生的重要來源。

圖1 動態(tài)扭矩傳感器結(jié)構(gòu)

惠斯通電橋?qū)⑥D(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)換為mV 級電信號， 經(jīng)過放大電路處理后，由AD 采集模塊進行數(shù)字化。 放大器在進行放大時，連同噪聲一起放大。另外在A/D 轉(zhuǎn)換模塊將帶有干擾的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號過程中會因為溫度導(dǎo)致熱噪聲影響其分辨率進而影響動態(tài)扭矩傳感器的精確度。

對于采集過程中的高斯白噪聲或模數(shù)轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的量化噪聲，可以通過滑動平均濾波來消除。但對于非周期較大的干擾信號，滑窗濾波算法的抑制性很差。且當(dāng)干擾較大時， 需要很長的窗長度才能達到理想的濾波效果，這就大大降低了頻率特性。卡爾曼濾波算法也能消除白噪聲和周期性干擾脈沖，但對于非周期干擾脈沖，會引入線性誤差。

為了有效濾除周期性脈沖干擾、非周期性脈沖干擾、高斯白噪聲、量化噪聲等，對卡爾曼濾波算法進行改進，見圖2。

圖2 改進卡爾曼濾波算法

首先采用閾值濾波算法， 對偶然因素引起的脈沖干擾進行剔除。對于循環(huán)采樣，將更新的采樣值與對比值之差與系統(tǒng)所允許的最大差值來進行比較。 當(dāng)在允許范圍內(nèi)時，該次采樣有效，當(dāng)超過允許范圍，該次采樣用對比值來代替。

式中：Dn—該次采樣值；Dc—對比值，由滑窗濾波器給出；A0—系統(tǒng)允許的采樣值與對比值的最大差值。

經(jīng)過閾值濾波器處理后的數(shù)據(jù)Y0（n）進入滑窗濾波器進行平滑。 規(guī)定窗口長度M，按照先入先出原則，每次增加一個數(shù)， 然后去掉一個最老的數(shù)， 數(shù)目總數(shù)保持M不變。 然后對這M 個數(shù)求平均數(shù)。 數(shù)學(xué)表達式為：

該波器輸出的信號去往閾值濾作為對比值Dc， 并作為下一級卡爾曼濾波器的輸入。

卡爾曼濾波器的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 卡爾曼濾波器的基本結(jié)構(gòu)

卡爾曼濾波器的實質(zhì)就是， 將實際信息與測量信息有機融合，從而得到最大概率的控制量。 對于一個線性離散系統(tǒng)，其狀態(tài)空間方程為：

式中：H—測量系統(tǒng)的參數(shù)， 對于多測量系統(tǒng)而言，H—矩陣。 W（k）和V（k）—表示過程和測量的噪聲。 他們被假設(shè)成高斯白噪聲（White Gaussian Noise），他們的協(xié)方差（covariance）分別是Q，R（這里我們假設(shè)他們不隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化）。

卡爾曼濾波器的實現(xiàn)由以下五個公式組成：

組合預(yù)測值和觀測值，得到最優(yōu)估計值；Z（k）—觀測值。 對于該系統(tǒng)，

2 試驗測試

試驗中，采用的動態(tài)扭矩傳感器量程為500Nm，滿量程信號輸出為0.5mV/V。 AD 采集模塊選用了24 位高集成度芯片AD7192，該芯片內(nèi)部集成了PGA，最大放大倍數(shù)為128 。 為了提高標(biāo)定精度，采用砝碼作為負(fù)載，通過靜態(tài)標(biāo)定的方式得到標(biāo)定數(shù)據(jù)， 同一力矩下， 每隔1min記錄一次數(shù)據(jù)，共計三次。 濾波前后試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 濾波前后試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

測試結(jié)果見圖4。

圖4 濾波前后試驗結(jié)果圖

根據(jù)上圖可到以下結(jié)論：

（1）濾波后，傳感器線性度、重復(fù)性明顯優(yōu)于濾波前；

（2）濾波后，傳感器的精度更加精確；

（3）濾波后，傳感器的穩(wěn)定度更高。