湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)院 彭琪琳

1 電動(dòng)機(jī)功率與輸出力矩的關(guān)系

電機(jī)的輸出力矩為：

其中：T為電機(jī)的輸出力矩（N．m），P為電機(jī)的功率（kW）；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm）。

對(duì)于三相交流電機(jī)，

式中U為電機(jī)的工作電壓，I為電機(jī)的工作電流；φ為電機(jī)電壓與電流的相位差；η為電機(jī)的效率。

從（1）、（2）兩式可看出，對(duì)電機(jī)輸出力矩的檢測(cè)，需要檢測(cè)電機(jī)的電壓U、電流I、以及電壓與電流的相位差φ。

2 檢測(cè)電路的組成及工作原理

2．1 檢測(cè)電路方框圖

圖1 檢測(cè)電路方框圖

2．2 檢測(cè)電路工作原理

通過(guò)電壓、電流互感器得到與工作電源隔離后的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)整流放大電路（交流有效值電路）得到與電機(jī)工作電流、電壓有效值成正比的直流模擬量信號(hào)。整形放大電路將電流、電壓的正弦波形整形成如圖2所示的方波。

整流放大電路將得到的與電壓、電流有效值成正比的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)（串行）送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其做乘法運(yùn)算。

圖2 正弦波整形成方波

整形放大電路將整形放大得到的與正弦波同步的方波接入單片機(jī)的2個(gè)外部中斷輸入端，利用電壓方波的下降沿觸發(fā)外部中斷INT0，電流方波的下降沿（滯后于電壓方波的下降沿）觸發(fā)外部中斷INT1。在中斷處理程序中，INT0中斷啟動(dòng)定時(shí)器T0計(jì)數(shù)，INT1停止定時(shí)器T0計(jì)數(shù)。停止計(jì)數(shù)后T0中所計(jì)的數(shù)值即對(duì)應(yīng)于電流與電壓的相位差φ。

通過(guò)單片機(jī)對(duì)U×I×COSφ進(jìn)行計(jì)算，即可得到與電機(jī)輸出力矩成正比的值Tq。根據(jù)電機(jī)的額定功率，可將Tq轉(zhuǎn)換成電機(jī)的實(shí)際輸出力矩。通過(guò)對(duì)電動(dòng)設(shè)備的輸出力（矩）標(biāo)定，即可得到設(shè)備的輸出力矩或推力。

3 電路分析

3．1 整形放大電路

如圖3，互感器來(lái)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓（m V級(jí)）。經(jīng)過(guò)兩級(jí)整形放大，使其輸出為0～5V的方波。為了使方波能與交流信號(hào)同步，即在交流信號(hào)過(guò)零時(shí)希望方波發(fā)生跳變，電路中兩級(jí)放大電路的負(fù)反饋采用電阻（R4、R6）與穩(wěn)壓管（Z1、Z2）并聯(lián)組成。電阻的阻值很大（500K），與穩(wěn)壓管并聯(lián)后，第一級(jí)放大對(duì)于反向端為負(fù)時(shí)，輸出為正，穩(wěn)壓管Z1正向壓降僅約0．6V，輸出也約為0．6V。當(dāng)反向端輸入為正時(shí)，輸出如果低于－5V，穩(wěn)壓管Z1不導(dǎo)通，僅反饋電阻R4起作用。由于R4阻值很大，所以放大倍數(shù)也很大。當(dāng)輸出電壓為－5V時(shí)，Z1導(dǎo)通，輸出信號(hào)維持在－5V。第二級(jí)放大也采用同樣的反饋電路，保證了輸出信號(hào)的幅度為5V。由于兩級(jí)放大具有極大的放大倍數(shù)，也就保證了輸出信號(hào)在輸入過(guò)零時(shí)即產(chǎn)生跳變，提高了相位檢測(cè)的精度。

3．2 整流放大（交流有效值）電路

圖3中的整流放大電路也稱(chēng)為“交流有效值”電路。電路的輸入為交流信號(hào)，輸出為與輸入信號(hào)有效值成正比的直流信號(hào)。整流放大電路由IC2A和IC2B兩級(jí)放大電路組成。IC2A為單端輸入電路，IC2B為差分輸入電路。輸入的交流信號(hào)首先經(jīng)IC2A放大。IC2A的負(fù)反饋由D2與R11串聯(lián)和D3與R12串聯(lián)兩路組成。當(dāng)輸入信號(hào)（接入反向端）為正半周時(shí)，IC2A的輸出端為負(fù)值，這時(shí)D2反向偏置，D3為正向偏置導(dǎo)通，由D3和R12構(gòu)成反饋電路。放大倍數(shù)為R12／R10。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，IC2A輸出為正，此時(shí)D3反向偏置，由D2和R11構(gòu)成反饋電路。放大倍數(shù)為R11／R10。由于R11與R12相等，因此對(duì)正、負(fù)半周的放大倍數(shù)相等。IC2A的輸出經(jīng)D2（輸出為正半周時(shí)）接入IC2B的同向輸入端，經(jīng)D3（輸出為負(fù)半周時(shí)）接入IC2B的反相輸入端，所以IC2B的輸出不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。IC2B的輸出一類(lèi)似全波整流電路的輸出波形。經(jīng)R15和C2、C3組成的濾波電路，輸出的平均電壓為與輸入信號(hào)交流有效值成正比的直流電壓。

圖3 整流、整形放大電路

3．3 AD轉(zhuǎn)換電路

AD轉(zhuǎn)換電路可采用專(zhuān)門(mén)的串行AD芯片，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送單片機(jī)。也可選用帶有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。

3．4 單片機(jī)電路

單片機(jī)電路如圖4

4 軟件結(jié)構(gòu)

4．1 相位差檢測(cè)軟件

由于電機(jī)是一感性負(fù)載，所以電流的相位滯后于電壓。

以電壓方波的下降沿觸發(fā)INT0中斷。INT0的中斷處理程序首先將定時(shí)器T0清零，再啟動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)。

以電流方波的下降沿觸發(fā)INT1中斷。INT1的中斷處理程序停止T0計(jì)數(shù)，將T0中的數(shù)據(jù)讀出。T0中的計(jì)數(shù)值即對(duì)應(yīng)于相位差。

圖4 單片機(jī)電路

4．2 相位差計(jì)算

根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖周期和計(jì)數(shù)值，可得到電機(jī)的電壓、電流過(guò)零的時(shí)間差Δt。再根據(jù)50 Hz的交流電角速度，即可計(jì)算出相位差φ＝2πf×Δt。

4．3 力矩計(jì)算

Tq＝U×I×COSφ，Tq即為與電機(jī)力矩成正比的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)三相電機(jī)的工作電壓、電流、相位差檢測(cè)電路的組成、工作原理以及單片機(jī)計(jì)算輸出力矩軟硬件的介紹，簡(jiǎn)要說(shuō)明了電機(jī)輸出力矩的一種檢測(cè)方法，實(shí)踐證明該檢測(cè)電路的檢測(cè)精度和速度完全可滿(mǎn)足一般電動(dòng)設(shè)備對(duì)力矩檢測(cè)和過(guò)力矩保護(hù)的要求。與其它力矩檢測(cè)手段相比，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電氣參數(shù)來(lái)計(jì)算力矩，是一種簡(jiǎn)單、可靠的方法。