吳召劍， 吳定祥， 龔金成， 張春熹， 唐立軍

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114;3.長(zhǎng)沙億旭機(jī)電科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000;4.常德市電子技術(shù)研究所，湖南 常德 415000)

基于彈性聯(lián)軸器形變量檢測(cè)的電機(jī)扭矩測(cè)試系統(tǒng)*

吳召劍1,2， 吳定祥2,3， 龔金成4， 張春熹1,2， 唐立軍1,2

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114;3.長(zhǎng)沙億旭機(jī)電科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000;4.常德市電子技術(shù)研究所，湖南 常德 415000)

摘要:針對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩的實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題，以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種用于測(cè)量電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)扭矩的實(shí)時(shí)測(cè)量方案，并設(shè)計(jì)了電機(jī)扭矩測(cè)試系統(tǒng)。該方案利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)彈性聯(lián)軸器因受扭矩作用產(chǎn)生形變量的原理，設(shè)計(jì)FPGA+ARM控制架構(gòu)，達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩的要求。靜態(tài)扭矩按JJG 2047—2006《扭矩計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表》方法測(cè)試，靜態(tài)扭矩最大相對(duì)誤差為0.73%。動(dòng)態(tài)扭矩由精密動(dòng)態(tài)扭矩裝置進(jìn)行驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)扭矩最大相對(duì)誤差為0.68 %。

關(guān)鍵詞:彈性聯(lián)軸器； 扭矩測(cè)量； 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

0引言

扭矩是電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)之一[1]，近年來(lái)許多學(xué)者在扭矩測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了多種新型的扭矩傳感器和扭矩測(cè)試系統(tǒng)，包括動(dòng)態(tài)、非接觸性扭矩傳感器[2～6]，靜態(tài)、非接觸性扭矩傳感器[7，8]，基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測(cè)量系統(tǒng)[9]和基于ZigBee的無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)[10]及基于STM32的高精度扭矩測(cè)量系統(tǒng)[11]等。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩是目前亟待解決的問(wèn)題。

本文針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)扭矩測(cè)試，探討扭矩測(cè)量原理和實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)扭矩實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)試提供有效的參考。

1扭矩測(cè)量原理

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的扭矩測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了扭轉(zhuǎn)角扭矩測(cè)量法，即通過(guò)檢測(cè)彈性聯(lián)軸器的形變量來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量。測(cè)量原理如下：被測(cè)動(dòng)力電機(jī)與反作用力負(fù)載電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器同軸相連，兩個(gè)電機(jī)均分別安裝了旋轉(zhuǎn)變壓器。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)均處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)到的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度差置零(此時(shí)彈性聯(lián)軸器的形變量為零)。測(cè)量靜態(tài)扭矩時(shí)，反作用力負(fù)載電機(jī)處于卡死狀態(tài)，運(yùn)行被測(cè)動(dòng)力電機(jī)，系統(tǒng)最終處于一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)彈性聯(lián)軸器因受到扭矩的作用產(chǎn)生形變，通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)出彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)角θ，從而可測(cè)出被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的靜態(tài)扭矩值M。測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩時(shí)，被測(cè)動(dòng)力電機(jī)和反作用力負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行方向相反，反作用力負(fù)載電機(jī)提供一個(gè)反向扭矩，由于被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的扭矩比反作用力負(fù)載電機(jī)的扭矩大，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的運(yùn)行方向相同，系統(tǒng)最終處于一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)彈性聯(lián)軸器因受到扭矩的作用產(chǎn)生形變，通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)出彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)角 ，因此，被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩值M也測(cè)出。扭矩測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1　扭矩測(cè)量原理圖Fig 1　Principle diagram of torque measurement

根據(jù)上述原理，由扭轉(zhuǎn)角θ可得到動(dòng)力電機(jī)的扭矩值M。被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的扭矩和彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系[12]，令被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的扭矩

M=κθ

(1)

式中κ為彈性系數(shù)，θ為扭轉(zhuǎn)角度。

系統(tǒng)中彈性聯(lián)軸器的彈性系數(shù)是未知常量，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量與標(biāo)定。由式(1)可知，通過(guò)確定M和θ就可以得到κ值。M和θ的確定可以采用兩種方法，方法一：給系統(tǒng)中的彈性聯(lián)軸器施加一個(gè)切向力矩M(方向?yàn)橹亓Ψ较?，力矩大小等于砝碼重量和桿長(zhǎng)度的乘積)，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)θ值。方法二：借助精密扭矩傳感器確定被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的扭矩值M，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)θ值。

通過(guò)方法一或方法二進(jìn)行多組多次測(cè)量M和θ的值，再采用最小二乘法便可以擬合出彈性系數(shù)κ的值[13]。如式(2)所示

∑θi∑θi)

(2)

確定κ值之后，就可以通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)出彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)角θ求得被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的扭矩值M。

2硬件設(shè)計(jì)

為了能夠采集旋轉(zhuǎn)變壓器的角度信號(hào)、提高測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，系統(tǒng)的硬件部分包括以下模塊：對(duì)數(shù)據(jù)具有高速處理功能的主控制器模塊；能夠給旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵(lì)信號(hào)和互補(bǔ)信號(hào)，并且可以將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的解碼模塊；用于SRM電機(jī)控制和過(guò)流處理的電流檢測(cè)模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖Fig 2　Block diagram of system hardware

2.1主控制器模塊

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，采用FPGA和ARM作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA實(shí)現(xiàn)的功能為：配置AD2S1210模塊，讀取并行位置解碼信號(hào)，驅(qū)動(dòng)和控制被測(cè)動(dòng)力電機(jī)，驅(qū)動(dòng)反作用力負(fù)載電機(jī)并根據(jù)需要設(shè)置其負(fù)載大小，與ARM通信。ARM實(shí)現(xiàn)的功能為：接收FPGA中的扭矩?cái)?shù)據(jù)，向FPGA發(fā)送命令信號(hào)，與上位機(jī)通信，電流檢測(cè)與顯示。

2.2AD2S1210解碼模塊

旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)其輸入信號(hào)有較高的要求，而且其輸出的模擬信號(hào)在受到外界干擾時(shí)不能被控制器直接使用，必須通過(guò)良好的信號(hào)接口電路處理。系統(tǒng)選用AD2S1210作為旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，為了檢測(cè)彈性聯(lián)軸器的型變量，將AD2S1210配置為“普通模式—位置輸出”模式。為了提高系統(tǒng)的精度，數(shù)字信號(hào)輸出的分辨率設(shè)置為16bit，位置精度可以達(dá)到0.3′[14]。

2.3電流檢測(cè)模塊

在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制過(guò)程中，為了避免過(guò)大的電流和磁鏈峰值，取得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，采用電流斬波控制(CCC)方式進(jìn)行控制。選用霍爾電流傳感器檢測(cè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的四相電流用于電機(jī)的控制。電流檢測(cè)模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　電流檢測(cè)模塊Fig 3　Module of current detection

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控制器設(shè)計(jì)。ARM軟件設(shè)計(jì)在MDK—ARM平臺(tái)上進(jìn)行，采用ARM官方固件函數(shù)庫(kù)與C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。FPGA設(shè)計(jì)在QuartusII平臺(tái)上進(jìn)行，采用VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示，數(shù)據(jù)采集由FPGA完成，F(xiàn)PGA對(duì)兩個(gè)AD2S1210模塊進(jìn)行復(fù)位與配置，實(shí)時(shí)采集兩個(gè)并行位置數(shù)據(jù)并處理。

圖4　數(shù)據(jù)采集流程Fig 4　Flow chart of data collection

SRM由FPGA進(jìn)行控制，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的位置對(duì)ABCD四相進(jìn)行控制。通過(guò)PID控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，根據(jù)由位置信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的比較，進(jìn)行PID控制的輸出。FPGA實(shí)時(shí)采集SRM四相的電流，根據(jù)采集的電流值實(shí)現(xiàn)PWM的控制。SRM的控制框圖如圖5所示。

圖5　SRM控制框圖Fig 5　Block diagram of SRM control

4通信

本系統(tǒng)中采用SPI協(xié)議和基于RS—232的MODBUS協(xié)議。ARM和FPGA之間采用SPI協(xié)議進(jìn)行通信，為了使通信速度達(dá)到最大，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用了利用DMA的SPI通信。本測(cè)試系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用基于RS—232的MODBUS協(xié)議(RTU模式)，上位機(jī)顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩值、轉(zhuǎn)速、位置及電流等參數(shù)，同時(shí)給測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送啟/停、PWM占空比、正/反轉(zhuǎn)等控制信號(hào)。

5系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和測(cè)量精度，驗(yàn)證靜態(tài)扭矩時(shí)，按照J(rèn)JG2047—2006《扭矩計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表》規(guī)定，通過(guò)扭矩校準(zhǔn)杠桿給系統(tǒng)施加確定的扭矩值(標(biāo)準(zhǔn)值)，再與系統(tǒng)實(shí)測(cè)的扭矩值做比較，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大示值誤差為0.35N·m，最大相對(duì)誤差為0.73 %，測(cè)試結(jié)果如表1所示。動(dòng)態(tài)扭矩由精密動(dòng)態(tài)扭矩裝置進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大示值誤差為0.27N·m，動(dòng)態(tài)扭矩最大相對(duì)誤差為0.68 %，測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

表1　靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)檢測(cè)彈性聯(lián)軸器形變量實(shí)現(xiàn)電機(jī)扭矩測(cè)量的方案可以很好地測(cè)量電機(jī)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)扭矩，采用FPGA+ARM的控制架構(gòu)提高了電機(jī)扭矩測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便靈活，有較好的應(yīng)用前景。

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Motortorquemeasurementsystembasedonelasticcouplingsdeformationdetection*

WUZhao-jian1,2，WUDing-xiang2,3,GONGJin-cheng4,ZHANGChun-xi1,2,TANGLi-jun1,2

(1.SchoolofPhysicsandElectronicSciences,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China;2.HunanProvinceHigherEducationKeyLaboratoryofModelingandMonitoringontheNear-EarthEletromagneticEnvironments,Changsha410114,China;3.ChangshaBillionSetElectricalTechnologyCoLtd,Changsha410000,China;4.ResearchInstituteofElectronicTechnologyofChangde,Changde415000,China)

Abstract:Aiming at problems of real-time measurement of dynamic and static torques of motor,use switched reluctance motor as research object,a measurement solution method for real-time measuring motor dynamic and static torques is proposed,and motor torque measurement system is designed.The principles of the program is that the deformation of elastic coupling is detected by two resolves when it is subjected to torque effect,and FPGA+ARM control architecture is designed，it can detect dynamic and static torques of the motor torque in real time and accurately.Static torque is test according to JJG 2047—2006 Verification Scheme of Measuring Instruments for Torque method,the maximum relative error of static torque is 0.73 %.Dynamic torque is validated by precise dynamic torque device,the maximum relative error of dynamic torque is 0.68 %.

Key words:elastic coupling;torque measurement;switched reluctance motor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0116—03

收稿日期：2016—03—07

*基金項(xiàng)目：湖南省科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013FJ1004—3)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15K009)

中圖分類(lèi)號(hào):TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0116—03

作者簡(jiǎn)介:

吳召劍(1990-)，男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理。

唐立軍，通訊作者,E—mail:tanglj2000@263.net。