劉　剛，陳樹新

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京　100083)

0　引言

動力系統(tǒng)是電傳動礦車的心臟，是直接關(guān)系到車輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵，其狀態(tài)監(jiān)測一直被人們所重視。近年來，動力系統(tǒng)的檢測技術(shù)取得了長足進(jìn)步，已由原始的機(jī)械式檢測逐步走向電子式、計(jì)算機(jī)綜合檢測，所測參數(shù)的范圍也有了很大發(fā)展，部分參數(shù)已逐步轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測[1-3]。

對動力系統(tǒng)的監(jiān)測主要是對一些非電量進(jìn)行監(jiān)測，比如電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以及電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的水溫和流量信號。電動機(jī)的外特性曲線是電動機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)，曲線的形狀及曲線中的起動轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩是衡量一臺電動機(jī)能否順利起動和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小直接反映了動力系統(tǒng)的負(fù)荷[4]。另外，從電動機(jī)的冷卻水溫度、壓力以及流量等參數(shù)也可以反映動力系統(tǒng)的負(fù)荷和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行精確實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠及時(shí)掌握車輛的運(yùn)行狀態(tài)，對電傳動礦車動力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和早期故障診斷具有重要作用。

文章以ARM32位單片機(jī)為核心，研制了具有CAN通信接口的電傳動礦車非電量數(shù)據(jù)采集器，能獨(dú)立完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，并且可以將處理好的數(shù)據(jù)傳送給任何具備CAN接口的設(shè)備。

1　非電量在線測量系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

圖1為電傳動礦車動力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂驁D。圖中的非電量數(shù)據(jù)采集器主要是對轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、電機(jī)水冷系統(tǒng)中的溫度變送器、壓力傳感器和流量傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行采集和計(jì)算，測得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、壓力和流量后通過CAN總線發(fā)送到動力監(jiān)測系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)得到在線監(jiān)測。

圖1　電傳動礦車動力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂驁D

圖2　電傳動礦車中非電量在線測量系統(tǒng)框圖

圖2為電傳動礦車非電量在線測量系統(tǒng)框圖。圖中的ARM32位數(shù)據(jù)采集器具有3路轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號采集、4路A/D信號采集、1路開關(guān)量信號采集和1路CAN通訊，可用于采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度以及流量等信號。系統(tǒng)需要采集的非電量主要包括：直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、直流無刷電機(jī)水冷系統(tǒng)中的進(jìn)水口溫度和出水口溫度、進(jìn)水口壓力和出水口壓力以及冷卻水流量。

具體運(yùn)用中可以根據(jù)工程中被測信號的數(shù)量，取用任意塊數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器可隨意安裝在方便測量傳感器信號的地方，所有數(shù)據(jù)采集器通過CAN總線連接起來，在設(shè)備連線兩端配上終端電阻，將測得的信號數(shù)據(jù)發(fā)送給動力監(jiān)測系統(tǒng)或任何具備CAN通信的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)非電量數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸，在線測量。集成化的采集模塊相比于NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工程應(yīng)用更方便，更易攜帶。

2　信號測量原理

試驗(yàn)系統(tǒng)采用磁電式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，其基本原理是通過磁電變換，將被測轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成具有相位差的2路正弦信號，工作原理如圖3所示[5-8]。這2路正弦信號的頻率是相同的且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可以用來測量轉(zhuǎn)速。2組交流電信號之間的相位差與其安裝的相對位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關(guān)。在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比。

圖3　NJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理圖

傳感器一共輸出3路正弦信號，分別是上文提到的同頻異相信號I、信號Ⅱ和套筒轉(zhuǎn)速信號。

圖4　信號Ⅰ和信號Ⅱ的輸出波形

如圖4所示，信號Ⅰ和信號Ⅱ是一組同頻異相的信號，它們初始的相位差相差180°。他們的相位差變化的絕對值與轉(zhuǎn)矩大小成正比，定義相位差減小時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，相位差增大時(shí)轉(zhuǎn)矩為正。

信號Ⅰ和信號Ⅱ的相位差與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如下：

Δθ=θ-π=32MLZ/(πD4G)

(1)

式中：M為轉(zhuǎn)矩；G為彈性軸的剪切彈性模數(shù)；D為彈性軸直徑；L為彈性軸的工作長度；Z為信號齒輪齒數(shù)。

當(dāng)v=vr時(shí)，彈體殘余長度的計(jì)算方法也與式(29)--式(30)基本相同，只需將其中的L0替換成Lres,h,v0替換為vh即可。

由此可見，通過測量傳感器兩輸出信號的相位差，即可求出轉(zhuǎn)矩M。

設(shè)信號Ⅰ和信號Ⅱ的頻率為f1=n1·Z/60，套筒轉(zhuǎn)速信號的頻率為f2=n2·Z/60。n1、n2為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，Z為圖3中傳感器齒輪的齒數(shù)。由于傳感器參數(shù)顯示Z=60，所以f1=n1，f2=n2。

電機(jī)轉(zhuǎn)速n由式(2)計(jì)算：

n=n1-n2=f1-f2

(2)

因此只需要用單片機(jī)測得信號Ⅰ、信號Ⅱ和套筒轉(zhuǎn)速信號的頻率，即可測得電機(jī)轉(zhuǎn)速。

制作的ARM 32位非電量采集器將上述3路正弦信號經(jīng)過如圖5的調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為圖6的方波信號送入單片機(jī)中，利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行捕獲，計(jì)算出波形的周期從而得到3個(gè)信號的頻率，根據(jù)式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)速。再測出信號Ⅰ和信號Ⅱ的相位差Δθ，根據(jù)式(1)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。

圖5　轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩正弦信號轉(zhuǎn)化方波電路圖

圖6　經(jīng)過調(diào)理電路后信號I和信號Ⅱ的波形

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

非電量在線測量系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

流量信號大多為脈沖信號，計(jì)算流量信號頻率采用TIM2定時(shí)器，測量信號I和信號Ⅱ的相位差需要TIM1和TIM3定時(shí)器同時(shí)工作，計(jì)算程序在TIM3中斷程序中完成，將TIM3捕獲到的上升沿(或下降沿)的時(shí)間減去TIM1捕獲到的上升沿(或下降沿)時(shí)間，得到兩信號的相位差，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。

壓力和溫度信號為電壓信號，主要通過單片機(jī)ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算電壓值。文中設(shè)置STM32芯片的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，通過讀取ADC結(jié)果寄存器的值來確定輸入電壓。

圖7　非電量在線測量系統(tǒng)軟件流程

只要滿足設(shè)定的通信協(xié)議，任何具有CAN接口的設(shè)備都可以從采集模塊獲取測量的數(shù)據(jù)，使采集模塊可以兼容任何一個(gè)使用CAN總線通信的顯示終端。

4　試驗(yàn)與結(jié)果分析

非電量采集器對采集的信號頻率、相位差、A/D轉(zhuǎn)換的電壓值做滑動平均，對最近的10個(gè)數(shù)據(jù)求平均值后存放在一個(gè)變量中，作為當(dāng)前數(shù)據(jù)值放入CAN郵箱中等待發(fā)送。

該試驗(yàn)采用了扭矩傳感器配套的卡式扭矩測量裝置CB3000，它在計(jì)算機(jī)(486以上)的ISA擴(kuò)展槽中插入扭矩卡，并配以相應(yīng)的專用軟件構(gòu)成的微機(jī)虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測量。

表1為系統(tǒng)在電機(jī)400轉(zhuǎn)左右測得的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)同CB3000扭矩測試卡測得的結(jié)果比較，表中N1、T1分別為CB3000系統(tǒng)測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，N2、T2分別為該系統(tǒng)測得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，δ1、δ2為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的相對誤差。

表1　CB3000系統(tǒng)與系統(tǒng)測試結(jié)果

從表中可以看出測試系統(tǒng)精度集中分布在0%～0.4%之間，可以達(dá)到精度要求。根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，信號Ⅰ和信號Ⅱ的相位差變化可以看出，NJ型傳感器每改變10 N·M的力矩，兩信號相位差變化弧度值約為0.05 rad，這為后續(xù)轉(zhuǎn)矩標(biāo)定提供了有力依據(jù)。

5　結(jié)論

提出的電傳動礦車非電量在線測量方法很好地解決了電傳動礦車在運(yùn)行中電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水壓力以及流量的精確在線測量，給出了各個(gè)非電量的測量原理與方法，并根據(jù)方法設(shè)計(jì)了一款基于ARM32位單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器，使測量數(shù)據(jù)可以同步傳輸。采集器可以兼容任何一個(gè)使用CAN總線通信的設(shè)備終端，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線測量。

將該方法的測量結(jié)果同市面上的主流產(chǎn)品進(jìn)行了對比，測量相對誤差控制在0.4%以內(nèi)，完全滿足測量精度要求。具有相當(dāng)高的精確度和實(shí)時(shí)性。

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