宗炳辰

(臨沂職業(yè)學院 建筑工程系，山東 臨沂276017)

扭矩傳感器是測量各種電動機、內(nèi)燃機以及旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩的重要設(shè)備，發(fā)展至今可測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或接觸測量時產(chǎn)生的干擾力均會影響旋轉(zhuǎn)軸的運動狀態(tài)。然而此類干擾又是隨機的，難以評估和定量，這便導致了控制的準確性難以保證。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量技術(shù)和方法，通過技術(shù)改進和升級實現(xiàn)非接觸的扭矩測量目標。其采用了兩組特殊的環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)能源的輸入，并克服了傳統(tǒng)導電滑環(huán)的缺陷，而輸出信號采用無線電遙測的方法，從而解決了旋轉(zhuǎn)動力傳遞系統(tǒng)中能源及信號在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分間的可靠傳遞問題。達到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小、旋轉(zhuǎn)方向的無關(guān)，且既可測量靜態(tài)扭矩、旋轉(zhuǎn)扭矩，又可測量動態(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(R8C/25)作為數(shù)據(jù)核心，設(shè)計了電機扭矩轉(zhuǎn)速測試儀的硬件電路和軟件程序，并完成了對扭矩和轉(zhuǎn)速信號的采集、處理和顯示工作。

1 電機扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測量原理

1.1 扭矩測量

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變電測原理，將專用的應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。當應變軸受扭力影響產(chǎn)生微小形變后，粘貼在應變軸上的應變計阻值發(fā)生變化，將具有相同應變特性的應變計組成測量電橋，應變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。電壓信號經(jīng)放大器放大后送到V/F變換器，再經(jīng)信號輸出電路輸出頻率可調(diào)的方波信號。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應的扭矩值基本成線性關(guān)系，實際應用中由于測量準確度要求不超過標稱值，因此無需通過逐段參數(shù)標定來完成計算。

圖2 輸出脈沖頻率特性曲線

傳感器扭矩輸出零點頻率f0=10 kHz;正向旋轉(zhuǎn)滿量程時fp=15 kHz;反向旋轉(zhuǎn)量滿量程fr=5 kHz;在時間T內(nèi)扭矩輸出頻率脈沖計數(shù)值為N1，則正向扭矩時計算如式(1)所示，負向扭矩如式(2)所示。其中扭矩量程N=30 N·m。

1.2 轉(zhuǎn)速測量

在傳感器的轉(zhuǎn)軸上安裝60條齒縫的測速輪，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關(guān)架，當測速輪的各個齒將發(fā)光二極管的光線遮住時，光敏三極管便輸出一個高電平，當光線通過齒縫射到光敏管的窗口時，光敏管則輸出一個低電平，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈可得到60個脈沖，因此，每秒檢測到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。該傳感器測量的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

1.3 軸輸出功率測量

軸輸出功率P由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的扭矩及轉(zhuǎn)速值間接測量。被測電機輸出的功率與扭矩的關(guān)系有P=Tem·Ω。其中Tem為被測電機的扭矩，Ω為機械角速度。

系統(tǒng)的測量準確度大多取決于頻率的測量準確度。分別以傳感器輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速脈沖信號作為計數(shù)脈沖進行計數(shù)。計數(shù)周期可在200～2 000 ms間根據(jù)需要選擇，且計數(shù)周期越長，測量精度越高，而時效性則越差。

2 電機扭矩轉(zhuǎn)速測試儀硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包括電源電路和單片機檢測電路兩部分［5－8］。

2.1 電源電路

電源是整個硬件電路的核心，電氣設(shè)備缺少電源便無法工作。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為單片機檢測電路供電。

圖3 電源電路板

獲得直流穩(wěn)壓電源的方法主要有兩種:開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。開關(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關(guān)管上，輸出電流通過控制開關(guān)管流過的電流，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，可充當穩(wěn)定性較好的電源。傳感器對噪聲較為敏感，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，嚴重時將使設(shè)備無法達到預期的性能要求。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，在實際中TO－220的穩(wěn)壓封裝，使用時溫度上升，所允許的功率損耗不得超過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，會以熱能的形式損耗，需在使用過程中安裝散熱器。根據(jù)傳感器和整個電路系統(tǒng)的功耗，設(shè)定變壓器的功率為10 W，電機扭矩轉(zhuǎn)速測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。兩個變壓器與平滑電容C1和C2間的中點相連，若設(shè)該點的電壓為0 V，則可輸出絕對值完全相等的正負電壓。且觀察電容器C1、C2，也可將其看成是兩個獨立的全波整流電路。

圖4 正負電源電路

2.2 單片機檢測電路

圖5 單片機檢測電路板

首先，傳感器輸出幅值為5 V的兩路信號分別為扭矩信號和轉(zhuǎn)速信號。經(jīng)光耦隔離、整形后給單片機檢測，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發(fā)光二極管耦合到另一個較高的高速集成光電探測器。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)進一步放大后輸出。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，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣和抗干擾的能力。同時由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因此具有較強的共模抑制能力。輸入需加限流電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，輸出則采用集電極開路，需加上拉電阻。

圖6 HCPL－2631原理圖

傳感器在使用過程中伴隨著機械震動和環(huán)境變化等均可能導致零點頻率發(fā)生漂移，影響測量的準確度。為此設(shè)置了零點校驗按鍵，利用單片機的外部中斷來實現(xiàn)，當檢測到按鍵按下時進入中斷，將當前零扭矩的頻率作為零點頻率。

最終，扭矩轉(zhuǎn)速測試儀提供了3個5位顯示窗口，實時顯示當前的扭矩、轉(zhuǎn)速以及功率值。LED數(shù)碼管工作方式有兩種:動態(tài)和靜態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示的特點是將所有位數(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)碼管采用動態(tài)掃描顯示，所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人感觀上認為似乎各位數(shù)碼管均在顯示。靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。當送入一次字形碼后，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)點是占用CPU時間少，且顯示便于監(jiān)測和控制。因此在設(shè)計中采用靜態(tài)顯示的方式，其顯示更加清晰，同時也提高了顯示的效果。

數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管點亮需5 mA以上的電流，由于單片機I/O口無法送出較大的電流，所以數(shù)碼管與單片機連接需加驅(qū)動電路。單片機通過74HC573驅(qū)動數(shù)碼管，其輸出電流大，電路接口簡單，通過單片機以及鎖存器便可控制任意數(shù)碼管顯示數(shù)字。

3 電機扭矩轉(zhuǎn)速測試儀軟件設(shè)計

軟件采用定時脈沖計數(shù)方式，程序主要包括以下子程序［9－12］:(1)系統(tǒng)時鐘:包括系統(tǒng)時鐘初始化;定時器RA、RB初始化;INT0、INT2初始化。(2)扭矩測量:定時器RA的事件計數(shù)模式控制扭矩脈沖信號的計數(shù)。(3)轉(zhuǎn)速測量:外部中斷INT0來對轉(zhuǎn)速脈沖信號的計數(shù)。(4)零點校正:零點頻率的校正。(5)顯示程序:將當前的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率顯示在數(shù)碼管上。

程序中要對扭矩和轉(zhuǎn)速兩路脈沖信號進行計數(shù)，定時周期為1 s，用RB定時器實現(xiàn)。利用單片機的定時器RA外部事件計數(shù)模式來對扭矩信號進行計數(shù)，從而計算扭矩信號的頻率，再根據(jù)扭矩的計算式(1)或式(2)便可測量出當前的扭矩值。由于單片機只有RA具有外部事件計數(shù)模式，便采用外部中斷INT0對轉(zhuǎn)速脈沖信號進行計數(shù)，以一個脈沖進入中斷，計數(shù)加1則可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速脈沖的計數(shù)，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速。此時可將當前的扭矩值和角速度值相乘計算出功率值。單片機通過I/O口控制對應鎖存器的鎖存端口，便能夠?qū)⑴ぞ刂岛娃D(zhuǎn)速值顯示在對應的數(shù)碼管上。零點校正利用單片機的INT2，系統(tǒng)檢測到“置零”按鍵按下時，進入中斷服務(wù)程序，將當前零扭矩的頻率作為零點頻率。

圖7 程序流程圖

4 傳感器的校驗

電機扭矩轉(zhuǎn)速傳感器在長期使用過程中，由于機械振動、溫度以及濕度等因素會發(fā)生零點頻率漂移現(xiàn)象，所以傳感器需手動調(diào)節(jié)零點頻率調(diào)節(jié)器，使其輸出零點頻率約在10 kHz。傳感器的校驗主要采用掛碼校驗法，包括了正矩和反矩的校驗。

首先，進行正矩校驗，將傳感器平穩(wěn)的放在校驗儀上，在傳感器的正矩方向加30 N·m的力矩，待平衡后卸載，測定輸出頻率為正矩零點頻率。隨后從零逐次增加3 N·m力矩，記錄各點的輸出頻率。當力矩加到30 N·m時，進行卸載，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，測定輸出頻率是反矩的零點頻率，然后逐次增加3 N·m的力矩，待力矩增加到30 N·m時進行逐次卸載。

最終，扭矩信號各點的頻率記錄如表1所示。實際中用示波器測量傳感器的扭矩信號零點頻率誤差在30 Hz內(nèi)，在運行過程中頻率誤差在20 Hz內(nèi)，扭矩的測量精度達到1 %。用轉(zhuǎn)速計測量電機轉(zhuǎn)速誤差在1～2轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的測量精度達到了0.1 %。

表1 電機扭矩轉(zhuǎn)速傳感器校驗

5 結(jié)束語

首先介紹了CX07型電機扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，分析其輸出扭矩信號和轉(zhuǎn)速信號的脈沖頻率特性。其次，設(shè)計了電機扭矩轉(zhuǎn)速測試儀的硬件電路以及編制軟件，并利用單片機的外部脈沖計數(shù)功能和外部中斷，實現(xiàn)了電機扭矩和轉(zhuǎn)速高精度的測量。最終，對傳感器進行校驗，驗證了測試數(shù)據(jù)的準確性。

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