孟朝暉 楊立春 張 青

（山東中興電動(dòng)工具有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

現(xiàn)代大型橋梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)，通過高強(qiáng)度螺栓組將多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，組成整個(gè)橋梁，高強(qiáng)度螺栓扭緊后，螺栓軸向產(chǎn)生很大的擰緊預(yù)拉力，軸向的預(yù)拉力乘以鋼結(jié)構(gòu)間的摩擦系數(shù)可以獲得巨大的摩擦力，鋼結(jié)構(gòu)通過摩擦力永久連接在一起。高強(qiáng)度螺栓施工普遍使用電動(dòng)定扭矩扳手，通過對(duì)扭矩的精確控制進(jìn)而獲得精確的軸向預(yù)拉力。電動(dòng)定扭矩扳手使用串激式交流電機(jī)作為動(dòng)力，通過多級(jí)機(jī)械行星齒輪減速獲得大扭矩。串激電機(jī)的輸出扭矩與輸入電流呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系，通過測(cè)量電流可以實(shí)現(xiàn)扭矩控制的目的。電流控制型電動(dòng)定扭矩扳手基于該原理實(shí)現(xiàn)扭矩控制。扭矩控制的精確度，取決于電流控制的精確程度，在實(shí)際工程中施工現(xiàn)場(chǎng)的電壓是不斷變化的，因此精確地采集電機(jī)的電流并對(duì)電壓變化進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，是實(shí)現(xiàn)高精度扭矩控制的先決條件。

1 現(xiàn)有電動(dòng)定扭矩扳手存在的問題

電動(dòng)定扭矩扳手用于高強(qiáng)度螺栓扭緊已有多年的歷史，通過對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上多款傳統(tǒng)的定扭矩扳手進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在以下共性不足。

傳統(tǒng)的定扭矩扳手只對(duì)電流環(huán)節(jié)進(jìn)行了處理，未考慮電壓變化對(duì)扭矩精度的影響，現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)大時(shí)，扭矩變化大。電流信號(hào)經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)進(jìn)入AD 處理，屬于“直流采樣”方式，整流二極管的非線性和大時(shí)間常數(shù)RC 濾波電路導(dǎo)致采樣線性差、誤差大、易漂移，實(shí)時(shí)性差。扳手在施工中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、卡死等故障時(shí)反應(yīng)速度慢，容易發(fā)生電機(jī)及機(jī)械部分損壞。缺少數(shù)字顯示界面，扳手設(shè)置及工作過程狀態(tài)顯示不直觀方便，硬件電路復(fù)雜、體積大、故障點(diǎn)多、調(diào)試復(fù)雜。

2 對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)定扭矩扳手的改進(jìn)

傳統(tǒng)工具存在很多不足，無法實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定可靠的扭矩控制。亟需研發(fā)一種新型的具有高精度、高可靠性、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、使用直觀方便的小型化新型電動(dòng)扳手。該研究應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和新型國(guó)產(chǎn)集成電路研制出一款全新概念的單芯片全數(shù)字處理交流采樣電動(dòng)定扭矩扳手。針對(duì)上述問題，該研究提出了相應(yīng)的解決方案：增加了電壓采集回路，對(duì)輸入電壓進(jìn)行了實(shí)時(shí)采樣監(jiān)控，應(yīng)用“交流采樣”技術(shù)，對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行高速、高精度采樣和全數(shù)字處理，大幅度提高采樣精度和線性度，同時(shí)抑制了各種漂移，在故障時(shí)高速采樣對(duì)電機(jī)及機(jī)械部分的保護(hù)更加迅速可靠。加入了LCD 顯示和鍵盤設(shè)置，使扳手直觀易用。這些功能依靠“中國(guó)芯”單芯片實(shí)現(xiàn)，電路運(yùn)行簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。

全數(shù)字處理交流采樣是指電流電壓信號(hào)經(jīng)過互感器進(jìn)行隔離和降低幅值后，不再進(jìn)行整流、積分濾波，直接將交流模擬信號(hào)送至高精度A/D 進(jìn)行高速數(shù)字采樣，再通過離散數(shù)字積分算法直接得到電流、電壓的有效值（RMS）。

全數(shù)字處理交流采樣的特點(diǎn)如下。1）一個(gè)正弦交流周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)多，可達(dá)128 點(diǎn)，即50Hz × 128=6400Hz，AD 使用6.4kHz 的速率對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行高速采樣處理，提高了精度和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)誤差。2）高速采樣提高故障電流、電壓反應(yīng)速度，采樣過程中出現(xiàn)過流、過壓故障時(shí)，可在下個(gè)交流周期的過零點(diǎn)及時(shí)關(guān)斷可控硅，使電機(jī)及機(jī)械部分得到及時(shí)保護(hù)。3）全數(shù)字處理交流采樣，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可同時(shí)計(jì)算出電流、電壓、功率多種電氣參數(shù)，為達(dá)到多種控制方式提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持。

全數(shù)字處理交流采樣在電動(dòng)定扭矩工具行業(yè)未被應(yīng)用的原因在于傳統(tǒng)的交流采集算法在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜計(jì)算量大；單片機(jī)片內(nèi)置AD 精度低，一般≤12bit；調(diào)理電路復(fù)雜，電壓、電流電路使用多片集成電路才能實(shí)現(xiàn)。隨著國(guó)內(nèi)集成電路技術(shù)的發(fā)展，許多集成電路設(shè)計(jì)公司，推出了高集成度的交流采樣芯片，可以方便地實(shí)現(xiàn)電壓、電流交流采樣功能。該文采用了電力行業(yè)上獲得大規(guī)模應(yīng)用的“單片集成電路智能電能表芯片”，對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行交流采樣，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理直接獲得電流、電壓的有效值和功率值，可以對(duì)定扭矩扳手進(jìn)行電流控制方式或功率控制方式的扭緊，提高了控制的精度和穩(wěn)定性，以及控制方式的靈活性。

3 “中國(guó)芯”電能表計(jì)量芯片HT5029

該文提出全數(shù)字處理交流采樣電動(dòng)定扭矩扳手，其核心電路采用了上海鉅泉光電科技股份有限公司出品的“中國(guó)芯”芯片《HT5029 電能表計(jì)量芯片》，HT5029 廣泛應(yīng)用于我國(guó)的智能電表領(lǐng)域，是經(jīng)過了大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用考驗(yàn)的成熟芯片，該芯片配合簡(jiǎn)單的外圍電路可以方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)定扭矩扳手的高精度、高可靠性控制。這是一顆低功耗、高性能、多功能的單相電能計(jì)量 SoC 芯片，為單相多功能電能表提供高集成的單芯片解決方案。

芯片具有以下特點(diǎn)：HT5029 是一顆低功耗、高性能的單相電能計(jì)量SoC 芯片，片內(nèi)集成 32 bit ARM 內(nèi)核、256K flash、32K SRAM、硬件 EMU 模塊、帶有溫度自補(bǔ)償功能的高精度ADC 模塊，以及 LCD 驅(qū)動(dòng)等功能，HT5029芯片由2 個(gè)單元構(gòu)成，作為CPU 的ARM 架構(gòu)的cortexM0單元和電能量處理單元（EMU）。

3.1 EMU單元構(gòu)成

交流采樣部分使用HT5029 片內(nèi)的電能計(jì)量單元（EMU），包括三路可編程增益放大器（PGA）完成輸入差分信號(hào)的幅度放大，完全獨(dú)立的3 路24Bit Σ-ΔADC 對(duì)放大后的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)FIR 數(shù)字低通濾波和數(shù)字積分式有效值RMS 處理后直接輸出電壓有效值、電流有效值及頻率值、電壓過零點(diǎn)檢測(cè)中斷信號(hào)。所有這些數(shù)字運(yùn)算由EMU 電路硬件直接完成，避免了CPU 大量的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算工作。

3.2 ARM單元構(gòu)成

Cortex-M0 處理器基于一個(gè)高集成度、低功耗的32 位處理器內(nèi)核，采用3 級(jí)流水線馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)（Von Neumann architecture）。通過簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大的指令集以及全面優(yōu)化的設(shè)計(jì)，Cortex-M0 處理器可實(shí)現(xiàn)極高的能效。Cortex-M0處理器采用 ARMv6-M 結(jié)構(gòu)，基于16bits 的Thumb 指令集，同時(shí)也支持Thumb-2 指令集，當(dāng)一個(gè)操作可以使用一條 32bits 指令完成時(shí)，就使用 32bits 的指令，以加快運(yùn)行速度；當(dāng)一次操作只需要一條16bits 指令完成時(shí)，就使用16bits 的指令，節(jié)約存儲(chǔ)空間。這種方式提供了一個(gè)現(xiàn)代32 位結(jié)構(gòu)所希望的出色性能，代碼密度比其他8 位和16位微控制器都要高。

由上文可知，HT5029 智能電表芯片具備優(yōu)異的性能，被廣泛地應(yīng)用于我國(guó)智能電表行業(yè)。應(yīng)用這款芯片進(jìn)行定扭矩扳手控制可以簡(jiǎn)化工具控制電路的設(shè)計(jì)，將原來的CPU 電路、電流電壓前向調(diào)理通道電路、高精度ADC 電路、電壓過零點(diǎn)生成電路、LCD 驅(qū)動(dòng)電路等很多電路才能實(shí)現(xiàn)的控制器集成為單芯片，同時(shí)可以獲得傳統(tǒng)控制電路無法實(shí)現(xiàn)的高精度、高性能以及電路的小型化，是應(yīng)用先進(jìn)智能電表芯片對(duì)傳統(tǒng)工具進(jìn)行性能提升的首次有益嘗試。

4 單芯片全數(shù)字處理交流采樣電動(dòng)定扭矩扳手實(shí)現(xiàn)電路

單芯片全數(shù)字處理交流采樣數(shù)顯定扭矩扳手控制器實(shí)現(xiàn)的全部電路如圖1 所示。

控制器電路采用HT5029 單芯片電量采集計(jì)量電路為核心構(gòu)成，分為EMU 模擬單元與ARM 數(shù)字單元2 個(gè)部分。模擬電路完成電流電壓信號(hào)的采樣處理，數(shù)字部分完成顯示、設(shè)置、SSR 觸發(fā)調(diào)速等功能，整個(gè)系統(tǒng)由HT5029 單芯片和簡(jiǎn)單的外圍電路構(gòu)成。

4.1 EMU模擬電路部分

定扭矩扳手的電流、電壓信號(hào)的采樣、濾波、放大及AD 轉(zhuǎn)換由芯片中的EMU 和簡(jiǎn)單的外圍輔助電路完成。

電流采樣通道：電機(jī)的電流經(jīng)10A/5mA 電流互感器CT 進(jìn)行隔離與降幅，通過I/V 轉(zhuǎn)換電阻R（10R）將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)由R、R（1K2）、C、C（33nF）構(gòu)成的抗混疊濾波器，接入HT5029 的V1P、V1N 的差分電流輸入端，由芯片內(nèi)部的可編程增益放大器（PGA）對(duì)電流差分信號(hào)進(jìn)行幅度放大，經(jīng)24Bit Σ-ΔADC 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR 數(shù)字低通濾波和數(shù)字積分器，經(jīng)過數(shù)字積分和開平方運(yùn)算后得到電流的均方根值（RMS）。

電壓采樣及過零點(diǎn)檢測(cè)通道：220V 交流電電壓由AC_L、AC_N 端輸入，經(jīng)R～R（390K）串聯(lián)后與R（1K2）構(gòu)成的電阻分壓網(wǎng)路進(jìn)行降壓，R（1K2）、C（33nF）為電壓通道的抗混疊濾波器，降壓濾波后的電壓信號(hào)接入V3P電壓采樣通道對(duì)輸入電壓采樣，具體處理流程與電流通道一致。同時(shí)芯片內(nèi)置了過零點(diǎn)檢測(cè)電路，可以獲得電壓的過零點(diǎn)信號(hào)，該過零點(diǎn)信號(hào)用于SSR 固態(tài)繼電器的觸發(fā)，在軟件的配合下可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)開關(guān)與調(diào)速功能。

芯片的EMU 在完成電流電壓RMS 計(jì)算后，通過數(shù)字移相和乘法器，還可以獲得視在功率、有功功率等電量信息，這些信息被保存在寄存器中，并且實(shí)時(shí)刷新。

4.2 ARM-CPU部分

在HT5029 芯片內(nèi)部，EMU 單元通過AHB-LITE 總線與ARM-CPU 連接，ARM 通過寄存器訪問獲得電流、電壓、功率等信息，交流電壓過零點(diǎn)以中斷方式提供。HT5029 芯片具有眾多的GPIO，同時(shí)還集成了LCD 驅(qū)動(dòng)單元，可以方便的驅(qū)動(dòng)段位式LCD，整個(gè)電路非常簡(jiǎn)潔。

如圖所示：32768Hz晶振為HT5029提供時(shí)鐘信號(hào)。SEG0-SEG15 為L(zhǎng)CD 模塊的段驅(qū)動(dòng)，COM0-COM3 為L(zhǎng)CD 模塊的位驅(qū)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)4×8 段的LCD 顯示器。扳手的工作狀態(tài)由LEDG、LEDR 紅綠色發(fā)光二極管顯示；Key 為扳手手柄上的啟動(dòng)開關(guān)；AN1-3 為軟鍵盤用于設(shè)置扭矩等參數(shù)；SSR 管腳連接固態(tài)繼電器；這些電路均接入HT5029 的GPIO。SWCLK、SWDIO 為ARM 的通用兩線調(diào)試接口，通過該接口可以方便的下載與調(diào)試程序，RX0、TX0 為串行通信接口，用于系統(tǒng)調(diào)試信息輸出或功能擴(kuò)展。

SSR 為固態(tài)繼電器，內(nèi)部集成了雙向可控硅及光電隔離觸發(fā)電路，具有全密封體積小的優(yōu)點(diǎn)，考慮到需要調(diào)速，應(yīng)該使用隨機(jī)觸發(fā)式SSR。電機(jī)、SSR 與電流互感器初級(jí)串聯(lián)后接入交流220V，實(shí)現(xiàn)串激式電機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制。電源可直接采用成品的AC-DC 電源模塊。由圖1 可見相對(duì)傳統(tǒng)的定扭矩扳手電路，在完成同樣功能的情況下該方案的硬件電路實(shí)現(xiàn)了“極簡(jiǎn)”，這得益于智能電表芯片的使用。

圖1 單芯片全數(shù)字處理交流采樣數(shù)顯定扭矩扳手控制器電路

4.3 該裝置的工作流程

按下扳手啟動(dòng)開關(guān)，程序通過連續(xù)的寄存器訪問獲得電流、電壓的實(shí)時(shí)RMS 值，并將扳手當(dāng)前設(shè)定的扭矩值換算為對(duì)應(yīng)的控制電流值，當(dāng)實(shí)時(shí)RMS 電流值大于控制電流值時(shí)，視為到達(dá)設(shè)定扭矩，關(guān)閉電機(jī)完成扭緊。SSR 管腳用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器SSR，CPU 根據(jù)電壓過零點(diǎn)中斷信號(hào)配合內(nèi)部定時(shí)器形成可控硅觸發(fā)信號(hào)，在扳手緩啟動(dòng)過程中，逐漸增大可控硅導(dǎo)通角，約3s 升至正常轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)扳手的緩啟動(dòng)。LCD 實(shí)時(shí)顯示扳手工作狀態(tài)包括扭緊完成情況、過流報(bào)警、電機(jī)斷線報(bào)警、過壓、欠壓報(bào)警，以及當(dāng)前工作狀態(tài)包括輕載工作、負(fù)載工作。正常扭緊完成后，綠色LED 閃亮指示正常，異常時(shí)紅色LED 閃亮。

4.4 電壓、電流異常處理

當(dāng)電源電壓在220V±20%（176V～264V）時(shí)，視為電源電壓正常，扳手可以工作；電源電壓小于176V 時(shí)為欠壓狀態(tài)；大于265V 時(shí)為過壓狀態(tài)。為了保護(hù)扳手，電源過壓欠壓時(shí)扳手停止工作，紅色LED 閃亮，并在LCD 上顯示對(duì)應(yīng)報(bào)警信息。當(dāng)扭矩小于預(yù)設(shè)的扭矩值20%時(shí)顯示輕載工作，大于時(shí)顯示負(fù)載工作。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)未能檢測(cè)到設(shè)定扭矩對(duì)應(yīng)電流的5%時(shí)，判斷為電機(jī)斷線，檢測(cè)到設(shè)定扭矩對(duì)應(yīng)電流的200%時(shí)，判斷為電機(jī)短路，并在LCD 顯示。

4.5 溫度補(bǔ)償與軸力修正

芯片集成了高精度溫度傳感器 TPS：在-40 ℃～+85℃，溫度傳感器一致性優(yōu)于±0.5℃。利用該溫度信息可以對(duì)片內(nèi)的3 路ADC 進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償，保證了工具在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。實(shí)際施工中室外鋼結(jié)構(gòu)的溫度隨環(huán)境溫度變化，在夏季施工與冬季施工時(shí)存在較大的溫差，導(dǎo)致了冬夏兩季鋼結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)不同，同樣扭矩施工時(shí)產(chǎn)生的軸力有較大差異，使用該溫度傳感器獲得的溫度信息，可以通過對(duì)扭矩進(jìn)行修正來保證不同溫度下螺栓軸力的一致性。

5 結(jié)語

該文對(duì)電動(dòng)定扭矩扳手控制中的電流、電壓、交流采樣和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究，使采樣控制精度大幅度提高，高速采樣對(duì)故障電流的反應(yīng)更加迅速靈敏，在出現(xiàn)過流故障時(shí)，可在下個(gè)過零點(diǎn)及時(shí)關(guān)斷電機(jī)，保護(hù)更加可靠，防止了電機(jī)及機(jī)械部分的損壞，全面顯示了扳手的工作狀態(tài)和故障信息，令使用更加易懂。采用了“中國(guó)芯”單芯片智能電表芯片，簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)，在完成工具高精度扭矩控制的基礎(chǔ)上，做到了電路的“極簡(jiǎn)”和小型化、實(shí)現(xiàn)了工具的高可靠性、低故障率、長(zhǎng)壽命。在對(duì)電壓波動(dòng)比較大的工作現(xiàn)場(chǎng)，可以使用對(duì)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)暮愎β士刂品椒ㄟM(jìn)行控制，增強(qiáng)了扳手的電壓適用性，是一款全新設(shè)計(jì)概念的電動(dòng)定扭矩扳手，在現(xiàn)場(chǎng)使用中取得了良好的效果。