(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，成都 610039)

1 引 言

機(jī)械傳動是應(yīng)用最為普遍的傳動方式，機(jī)械傳動的性能對于機(jī)械裝置起著重要的作用，因此對機(jī)械傳動系統(tǒng)的測試也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)械傳動測試系統(tǒng)主要采用以通用單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，但其硬件的模擬濾波不能很好地濾出干擾，影響了測試系統(tǒng)的精度。為此，本文提出了一種基于DSP技術(shù)及全相位FFT算法的機(jī)械傳動測試系統(tǒng)，在實驗中取得了較好的效果。

2 機(jī)械傳動測試系統(tǒng)的基本原理

該機(jī)械傳動測試系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)的基本原理Fig.1 Baisc principle of the test system

在機(jī)械傳動測試系統(tǒng)中，傳感器采用的是磁電式相位差型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器，其工作原理如圖2所示。

轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是：當(dāng)彈性軸受扭時，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，這時兩信號齒輪之間將產(chǎn)生相對于初始安裝位置的相位差，該相位差將轉(zhuǎn)換為兩組交流電信號的相位差。由于兩組交流電信號的頻率相同且與彈性軸的轉(zhuǎn)速成正比，而相位差的大小又與被測轉(zhuǎn)矩的大小成正比，所以通過信號頻率和相位差可以分別測出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。在彈性變形范圍內(nèi)，有如下關(guān)系：

(1)

式中，M為轉(zhuǎn)矩(N·m)，Δφ為兩信號的相位差(rad)，D為彈性軸直徑(m)，G為彈性軸剪切彈性模量(Pa)，Z為信號齒輪齒數(shù)，L為彈性軸工作長度(m)。

圖2 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器工作原理Fig.2 Operationg principle of thetorque/rotational sensor

根據(jù)傳感器工作原理，有：

f=(n/60)·Z

(2)

式中,n為彈性軸轉(zhuǎn)速(r/min)，f為傳感器輸出信號頻率(Hz)。

當(dāng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都測出來以后，該被測機(jī)械傳動系統(tǒng)的傳遞功率和傳動效率就可以計算出來。

3 測試裝置系統(tǒng)總體設(shè)計

該測試裝置采用JC2B型磁電式相位差型轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量，應(yīng)用DSP對信號進(jìn)行采樣與處理，可分為5個大部分：磁電相位差式轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號調(diào)理部分；傳感器輸出信號頻率檢測部分；信號數(shù)據(jù)處理及測量計算部分；鍵盤接口及顯示部分；通過串口與上位機(jī)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及進(jìn)一步處理部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在系統(tǒng)中使用的DSP是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。它不僅具有可編程性，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，其實時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序。

圖3 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the test system

4 全相位FFT算法

從數(shù)字信號處理的觀點來看，離散數(shù)據(jù)的存儲實際上是對信號進(jìn)行截斷的過程，而截斷會使信號處理(如數(shù)字濾波、譜分析、信號重構(gòu)等)性能下降。傳統(tǒng)的處理采用離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉變換(FFT)，它們都不能很好地解決信號處理性能等問題。因此，該測試系統(tǒng)采用了全相位FFT算法，全相位處理方法可解決由數(shù)據(jù)截斷引起的信號處理性能問題。

圖4 全相位頻譜分析基本框架Fig.4 Baisc frame of all-phase spectrum analysis

全相位FFT相位測量算法具有如下優(yōu)點：

(1)基于全相位FFT的相位差測量法無需附加頻率估計和頻譜校正措施 ，直接測出峰值譜線的相位值即可得到；

(2)精度較高，適合于精密測量場合。全相位FFT具有比傳統(tǒng)FFT更優(yōu)良的抑制頻譜泄漏性質(zhì)，避開了頻率估計和頻譜校正措施，頻率估計誤差不會帶入到相位測量中；

(3)計算量小，有利于實時實現(xiàn)。全相位FFT基本流程省去了N-1次FFT計算，因而計算量比傳統(tǒng)方法小，便于實時實現(xiàn)。

根據(jù)本測試系統(tǒng)需要完成的功能進(jìn)行程序總體方案的設(shè)計，程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flowchart

5 性能分析

應(yīng)用前述測試原理、設(shè)備及程序，在ZJS50機(jī)械傳動試驗臺上，對選定的機(jī)械傳動裝置進(jìn)行了測試實驗。該系統(tǒng)選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A為數(shù)字信號處理器(DSP)，選用湘儀動力測試儀器廠生產(chǎn)的JC2B型磁電式相位差型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集信號，其額定扭矩為1 000 N·m，轉(zhuǎn)速范圍是0～4 000 r/min，采用標(biāo)準(zhǔn)扭矩加載裝置對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定的測試中，使用10個100 N的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，輸出軸即承受100 N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩載荷，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時，測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)矩測量數(shù)據(jù)表(n=1 500r/min)Table 1 Torque measurement date(n=1 500 r/min)

由表1可知，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，測量最大相對誤差為

這表明轉(zhuǎn)矩測量具有較高的精度。

額定扭矩為500 N·m時，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～2 000 r/min之間變化，所測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)表(M=500 N·m)Table 2 Rotational measurment date(M=500 N·m)

由表2可知，額定扭矩為500 N·m時，0～2 000 r/min內(nèi)轉(zhuǎn)速變化最大絕對誤差為2 r/min，故實現(xiàn)了精確測量。

6 結(jié)束語

應(yīng)用DSP技術(shù)及全相位FFT算法建立的機(jī)械傳動測試系統(tǒng)，是我們在實驗設(shè)備改進(jìn)方面的一次探索，特別是將全相位FFT算法應(yīng)用在機(jī)械傳動的測試中。在實際測試中，該系統(tǒng)與原來的系統(tǒng)相比，不僅測試精度大大提高，而且還具有快速的數(shù)據(jù)處理能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，動態(tài)實時測量的效果更好地滿足了測試要求。但是該系統(tǒng)還可以在硬件設(shè)計(或選擇)以及全相位測相算法上進(jìn)一步完善，如采用加窗全相位測相算法，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 江思敏, 劉暢. TMS320LF240xDSP 硬件開發(fā)教程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

JIANG Si-min,LIU Chang. TMS320LF240xDSP hardware exploiture tutorial [M].Beijing:China Machine Press,2003.(in Chinese)

[2] 王兆華,黃翔東,楊尉. 全相位FFT相位測量法[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2007,29(4):28-32.

WANG Zhao-hua,HUANG Xiang-dong,YANG Wei. The Measuring Phase Method of All-phase FFT [J]. World Science-Technology Research & Development, 2007,29(4):28-32. (in Chinese)

[3] 劉彥,馬詠梅. 多功能機(jī)械傳動組合試驗臺的研制[J]. 中國測試技術(shù), 2003(6):23-24.

LIU Yan,MA Yong-mei. Development of multi-function Mechanical Transmission compounding-Test System [J]. China Measurement Technology, 2003(6):23-24. (in Chinese)

[4] 鄒衛(wèi)華,師奕兵,王志剛. 基于DSP的相位差測量系統(tǒng)設(shè)計[J]. 測控技術(shù), 2007,26(5):76-78.

ZOU Wei-hua,SHI Yi-bing,WANG Zhi-gang. Design of Measurement System for Phase Difference Based on DSP [J]. Measure & Control Technology, 2007,26(5):76-78. (in Chinese)

[5] Texas Instruments. TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide CPU and Instruction Set[Z].Texas:Texas Instruments,1999.

[6] 王兆華, 黃翔東. 數(shù)字信號全相位譜分析與濾波技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

WANG Zhao-hua,HUANG Xiang-dong. All-Phase Spectral Analysis and Filtering of Digital Signal [M].Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2009. (in Chinese)