羅德虎 冉啟武 鄭丁陽(yáng)

（陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西漢中 723001）

0 引言

諸多電動(dòng)設(shè)備如電動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)工具等，需要對(duì)輸出的推、拉力或轉(zhuǎn)動(dòng)力矩進(jìn)行控制。傳統(tǒng)方案采取彈簧形變、力敏傳感器等實(shí)現(xiàn)力矩測(cè)控。機(jī)械式力矩控制的精度一般為10%～25%，雖然成本低，但受彈簧材料材質(zhì)、套件加工精度、裝配等因素影響較大，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，不能用作精確檢測(cè)。采用應(yīng)變片力敏傳感器檢測(cè)負(fù)載力矩實(shí)現(xiàn)力矩控制的精度比機(jī)械式力矩控制的精度高，為8%～10%，但力敏傳感器的輸出信號(hào)較微弱，檢測(cè)電路易受干擾，不適用于在電磁場(chǎng)強(qiáng)度高、振動(dòng)大的環(huán)境中工作的設(shè)備。而采用檢測(cè)電機(jī)的輸出力矩實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)設(shè)備的力矩控制，精度可達(dá)5%～8%，檢測(cè)電機(jī)的力矩在減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，仍能正常檢測(cè)到電機(jī)的輸出力矩變化，優(yōu)于以上兩種力矩控制技術(shù)。

原有的電機(jī)力矩檢測(cè)技術(shù)用電流、電壓互感器采集電機(jī)的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大產(chǎn)生與電機(jī)電流、電壓幅值成正比的信號(hào)，用整形電路得到電壓、電流上升過(guò)零時(shí)的脈沖信號(hào)，用電壓脈沖上升沿啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)，電流脈沖上升沿停止計(jì)數(shù)。將電壓、電流的幅值信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送進(jìn)單片機(jī)，然后用單片機(jī)計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值。這種技術(shù)的電路較復(fù)雜，元器件數(shù)量多，因此穩(wěn)定性與可靠性相對(duì)較差。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備，如精巧型的電動(dòng)執(zhí)行器，電子艙體積有限，根本裝不下這些電子元件。

為了克服以上缺點(diǎn)，本文提出了相敏電子式力矩檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，穩(wěn)定性與可靠性也遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)。下文首先介紹該技術(shù)的原理，其次進(jìn)行各個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路和力矩控制電路的設(shè)計(jì)，最后展示了三相電機(jī)的信號(hào)采樣示意圖。理論研究表明，所提方法可以方便準(zhǔn)確地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)力矩，精度也滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景要求。

1 相敏電子式力矩檢測(cè)技術(shù)

由于電動(dòng)設(shè)備輸出力矩源于電機(jī)的電磁力矩，且完全成正比，因此檢測(cè)和控制電機(jī)的輸出力矩，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)設(shè)備的輸出力矩控制。交流感應(yīng)式電機(jī)的輸出力矩公式計(jì)算如下：

式中：U為工作電壓；I為電機(jī)電流；cos φ為電機(jī)的功率因數(shù)；η為電機(jī)效率。

由此可見(jiàn)，交流電機(jī)的輸出力矩與電機(jī)用電的有功功率UIcos φ成正比，即T∝UIcos φ。檢測(cè)電機(jī)的有功功率變化，即可得到電機(jī)的輸出力矩變化。

1.1 原理部分

本文所提技術(shù)以相敏模擬乘法運(yùn)算電路對(duì)電機(jī)的電壓U、電流I按相位差φ作乘法運(yùn)算，即可得到與電機(jī)輸出力矩成正比的電壓信號(hào)V（力矩電壓信號(hào)）。通過(guò)給電動(dòng)設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩T，檢測(cè)到額定力矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)力矩信號(hào)（V），依此即可得到不同負(fù)載力矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)力矩電壓信號(hào)V=f（u，i，φ）。根據(jù)這一函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載力矩的控制。相敏電子式交流電機(jī)輸出力矩檢測(cè)電路利用模擬運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)UIcos φ，得到與負(fù)載力矩相對(duì)應(yīng)的力矩電壓V。

圖1為相敏乘法運(yùn)算電路示意圖。放大器的同相端輸入信號(hào)U是通過(guò)霍爾芯片將電機(jī)電流轉(zhuǎn)換而來(lái)，U是與電機(jī)電流大小成正比，相位、頻率完全相同的電壓信號(hào)，反向端為受電源電壓控制的線性光敏電阻R。R與R構(gòu)成了放大器的負(fù)反饋回路，確定放大倍數(shù)。Z的穩(wěn)定電壓2.5 V串接在反向端R與地之間，當(dāng)U電壓低于2.5 V時(shí)，放大器輸入的差模電壓小于等于0 V，放大器輸出為0。

1.2 信號(hào)檢測(cè)處理部分

1.2.1 電壓信號(hào)U

圖2為電流檢測(cè)電路示意圖。電機(jī)電流流經(jīng)一環(huán)形磁芯的電感線圈LT，在環(huán)形閉合磁路中插入線性霍爾芯片HR。霍爾檢測(cè)用的電感為環(huán)形閉合磁路，信號(hào)強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)?；魻栞敵鲂盘?hào)為2.5～5 V，遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級(jí)輸出。交流電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，使霍爾芯片的輸出信號(hào)U最大變化為0～5 V。

圖3為霍爾輸出的與電機(jī)電流幅頻特性完全相似的電壓U波形圖。電流等于0時(shí)，U為2.5 V。U的幅度與電流大小成正比，相位、頻率完全相同。

表1為電壓信號(hào)U與電機(jī)電流（以最大1 A為例）對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值。

1.2.2 電阻信號(hào)R

為了將電機(jī)的電流與電壓信號(hào)按照相位差通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，這里需要將電機(jī)的電源電壓變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。電阻的大小與電壓成反比，頻率、相位與電壓的正半周相同。

圖4中電源經(jīng)電阻R限流，正半周流經(jīng)二極管D，驅(qū)動(dòng)線性光耦PR中的發(fā)光二極管，電壓的高低變化引起發(fā)光二極管的亮度變化，光敏電阻的阻值隨之變化。電源電壓越高，發(fā)光二極管的亮度越大，而光敏電阻的阻值越小。光敏電阻不受外部電磁場(chǎng)干擾，穩(wěn)定性高。

從圖5光敏電阻與輸入電流變化的曲線圖可以看出，輸入電流增加，輸出電阻下降。例如電源電壓為AC220 V，限流電阻R選1.1 MΩ，流經(jīng)光敏電阻發(fā)光二極管的電流約為0.2 mA，這時(shí)光敏電阻對(duì)應(yīng)的阻值約為2.5 kΩ。當(dāng)電源電壓以正弦規(guī)律變化，光敏電阻阻值以反向的正弦規(guī)律變化。

1.2.3 放大倍數(shù)

從圖1可見(jiàn)電阻R和光敏電阻R一起構(gòu)成負(fù)反饋回路，確定放大器的放大倍數(shù)K，K=1+R/R。由于R的阻值隨電源電壓變化，電壓升高，R減小，K增大，因此放大倍數(shù)K的變化趨勢(shì)就與電壓變化相同，即頻率、相位相同，幅度成正比。

1.2.4 相敏乘法運(yùn)算

在圖1所示的相敏模擬乘法運(yùn)算放大器中，同相端輸入的是電壓信號(hào)U，電壓信號(hào)為轉(zhuǎn)換成電阻的R，用以確定放大倍數(shù)K。放大器的輸出信號(hào)G=UK，也就是G=電流×電壓。從圖6可以看出，放大倍數(shù)K與電壓的正半周同頻率、同相位。電機(jī)是感性負(fù)載，所以電流滯后于電壓相位差φ。φ的大小與電機(jī)特性和負(fù)載大小有關(guān)，負(fù)載越小φ越大，反之負(fù)載越大φ越小。所以，電機(jī)的力矩計(jì)算不是簡(jiǎn)單的電流與電壓代數(shù)乘，必須要考慮相位差φ的關(guān)系。從電壓、電流的正半周波形看，只有兩者都不為零時(shí)才能產(chǎn)生力矩。相敏放大器正好實(shí)現(xiàn)了這一功能。當(dāng)電壓信號(hào)（放大倍數(shù)K）過(guò)零為正半周時(shí)，電流信號(hào)（同向輸入）由于滯后φ，所以在此期間放大器沒(méi)有輸出。當(dāng)電壓信號(hào)180°到零時(shí)（放大倍數(shù)為1），盡管電流信號(hào)因滯后仍大于零，但放大器已無(wú)放大作用。由此可見(jiàn)，相敏模擬乘法運(yùn)算電路能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出力矩的計(jì)算。G經(jīng)過(guò)RC濾波后的直流電壓V，即為與電機(jī)輸出力矩成正比的力矩信號(hào)。

2 力矩控制

相敏電子式力矩檢測(cè)電路能將電機(jī)的負(fù)載力矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)V。給電動(dòng)設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩運(yùn)行，力矩檢測(cè)電路可檢測(cè)到額定的力矩電壓V；讓電動(dòng)設(shè)備空載運(yùn)行，可得到空載時(shí)的電機(jī)輸出力矩電壓V。V=V-V即設(shè)備從空載到滿載的力矩電壓變化范圍。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)力矩電壓V，即可計(jì)算出設(shè)備的實(shí)時(shí)負(fù)載力矩。這樣就可由用戶根據(jù)設(shè)備的使用工況，選擇需要的力矩控制值。

如果僅需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的力矩控制，也可以將力矩電壓V與給定電壓V通過(guò)電壓比較器比較，如圖7所示，當(dāng)V大于V時(shí)，比較器的輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖健？捎帽容^器的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)斷電機(jī)，發(fā)出報(bào)警。

3 三相電機(jī)的電壓、電流采樣

如圖8所示，三相電機(jī)的電流信號(hào)采樣和單相電機(jī)一樣，串在任意一相中。電阻R、R、R阻值都相同，一端分別接三相電源的一相，另一端接在一起形成中性點(diǎn)o。

流過(guò)發(fā)光管電流即為相電壓U除以電阻R，光敏電阻阻值跟隨相電壓變化。電流采樣元件LT串接在A相接線中，完成對(duì)A相電流的檢測(cè)。必須保證電流和電壓信號(hào)的采樣為三相電源的同一相。

4 結(jié)語(yǔ)

相敏電子式力矩控制技術(shù)以相敏式模擬運(yùn)算放大器為核心，采用線性霍爾芯片檢測(cè)電流，采用線性光耦將電壓轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，以光敏電阻控制放大器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的相敏乘法運(yùn)算，很好地完成了電機(jī)輸出力矩的檢測(cè)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少，穩(wěn)定性好、可靠性高?；魻枡z測(cè)用的電感為環(huán)形閉合磁路，信號(hào)強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)。霍爾輸出信號(hào)為2.5～5 V，遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級(jí)輸出。光敏電阻不受外部電磁場(chǎng)干擾，穩(wěn)定性高。該技術(shù)可用于單相、三相電機(jī)，對(duì)不同功率的電機(jī)，只需改變霍爾檢測(cè)電感線圈的線徑和匝數(shù)。與其他幾種電動(dòng)設(shè)備力矩控制技術(shù)比較，相敏電子式力矩控制技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都有明顯的優(yōu)勢(shì)。