基于ZJ傳感器扭矩轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的研究

郁信波，袁文明，馮 源，林福嚴(yán)

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

對傳動軸所輸入的扭矩進(jìn)行測量和分析可以保證機(jī)械設(shè)備運轉(zhuǎn)安全、節(jié)能低耗，提高能源利用率。機(jī)械設(shè)備進(jìn)行在線實時監(jiān)測并將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在生產(chǎn)過程中對實時數(shù)據(jù)的分析可以對機(jī)械設(shè)備的運作情況有全方面的掌握，有效避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。也可以在故障出現(xiàn)時，迅速找出設(shè)備故障原因，減少因故障引起的停機(jī)時間，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。所以在科研和生產(chǎn)過程中，高精度、智能化的扭矩傳感器被廣泛開發(fā)并運用到傳動效率實驗和監(jiān)測中。從而獲得大量的實驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)和幫助科研人員設(shè)計出質(zhì)量好，可靠性強(qiáng)效率高的產(chǎn)品。國內(nèi)外在扭矩傳感器及其測量方面做了大量的研究[1～4]。

1 測試系統(tǒng)的整體設(shè)計和原理

本次設(shè)計是針對ZJ 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換相位差原理設(shè)計的[5]。它是將扭矩轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成兩個具有一定相位差的電信號作為輸出，反應(yīng)扭矩轉(zhuǎn)速的大小。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。ZJ 傳感器輸出兩路電信號，信號1 和信號2 分別經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路，將正弦電信號轉(zhuǎn)換為方波輸出。并將方波輸出接入單片機(jī)中進(jìn)行處理。整個控制部分的中心是單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)收到上位機(jī)給的采集信號指令時，單片機(jī)將輸入電信號處理計算后通過通信系統(tǒng)傳送到PC 機(jī)。在PC 機(jī)上通過LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算處理得出扭矩轉(zhuǎn)速值并顯示出波形。

圖1 扭矩測試系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of torque testing

設(shè)計的實現(xiàn)方法是首先將采集到的兩路正弦信號通過電壓比較器變換成矩形波，將矩形波輸入到單片機(jī)的外部中斷接口。在單片機(jī)中通過矩形波的上升沿控制計數(shù)器的開關(guān)情況，可以用單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器輸出兩個前后兩個上升沿之間的計數(shù)差值。具體波形變換和采集如圖2 所示。通過單片機(jī)的工作頻率和計數(shù)器所記數(shù)值即可計算出t1 和t2 的時長。其中t1 即為相位差值的時間，而T=t1+t2 即為整個相位差脈沖周期時間。相位差角通過公式△θ=t1×360°/T 計算得出。上位機(jī)通過modbus 協(xié)議讀取單片機(jī)中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過485 通信傳送到PC 機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和顯示。

圖2 波形變換和采集Fig.2 Waveform transformation and acquisition

2 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計

2.1 硬件電路總體設(shè)計

硬件部分主要由信號變換、控制部分和通信部分組成。ZJ 傳感器的工作原理是基于電磁系感應(yīng)和相位差值，故數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)就是測試兩個信號U1和U2 的相位差。兩個信號輸入到過零比較器MAX992中，輸出兩路矩形波信號，這兩路信號跟正選信號具有相同的相位差。將矩形波信號輸入到MSP430f149 單片機(jī)的外部中斷接口P1.1 和P1.2 上。通過上升沿觸發(fā)中斷開啟單片機(jī)計數(shù)器，測試上升沿之間的計數(shù)差值。數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理過后通過RS-485 通信傳輸?shù)接嬎銠C(jī)完成計算和顯示。具體設(shè)計框架如圖3 所示。

圖3 硬件電路總體設(shè)計Fig.3 The overall design of hardware circuit

2.2 控制芯片硬件電路設(shè)計

圖4 MSP430F149 單片機(jī)硬件電路設(shè)計圖Fig.4 MSP430F149 Hardware circuit diagram

主控芯片MSP430F149 的硬件電路設(shè)計如圖4 所示。與單片機(jī)相連的主要有數(shù)據(jù)采集模塊和RS485 通信模塊。本身工作需要配備電源模塊、上電復(fù)位電路，為了使用方便和各個模塊時鐘穩(wěn)定，單片機(jī)外接8MHz 晶振電路。數(shù)據(jù)采集模塊通過具有外部捕獲模式的端口P1.1 與P1.2 與單片機(jī)相連。RS485 通信接口定義在P3.7 接受數(shù)據(jù)端口和P3.6 發(fā)送數(shù)據(jù)端口，并通過P3.3 對通信芯片進(jìn)行控制。

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 MSP430F149 軟件設(shè)計

系統(tǒng)流程如圖5 所示。程序初始化后，開啟全局中斷，當(dāng)外部中斷發(fā)生時，單片機(jī)采集實時數(shù)據(jù)并在單片機(jī)中進(jìn)行簡單的技術(shù)處理，系統(tǒng)通信采用modbus 協(xié)議，當(dāng)單片機(jī)收到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)讀取命令時將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)虛擬儀器把數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理后通過顯示模塊顯示出來。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

數(shù)據(jù)采集電路通過RS485 通信和MODBUS 協(xié)議和上位機(jī)通信。本設(shè)計用LabVIEW 編寫了一數(shù)據(jù)接收軟件，可以通過modbus 協(xié)議和數(shù)據(jù)采集電路主控芯片進(jìn)行通信，并且把讀取回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，通過波形圖顯示出來。

測試軟件主要包含兩個部分：顯示前面板和程序框圖。前面板中可以直觀看出一些基本參數(shù)的設(shè)定和顯示。程序框圖中按照程序流程編輯程序，完成數(shù)據(jù)測試、處理和顯示的功能。測試程序框圖如圖6 所示。

圖6 測試程序框圖Fig.6 Test block diagram

在測試程序框圖中的扭矩運算公式說明如下：相位差式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是：通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。

實際上，在真正的扭矩傳感器中，很難精確測得兩信號之間的相位差角的變化值，總是直接測得兩信號之間的瞬時相位差角而間接得到相位差角的變化值。相位差角的初始值約為180°，當(dāng)傳感器的扭矩增加到額定值時，相位差角的變化值大約為90°。那么，可以得到扭矩與相位差角之間的轉(zhuǎn)換公式：

式中：k—比例常數(shù)，針對實驗臺上安裝的ZJ 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器其比例常數(shù)；Fs—扭矩轉(zhuǎn)速傳感器量程（N·m）；T1、T2—信號經(jīng)過零檢測轉(zhuǎn)化成矩形波后，兩信號中相鄰兩上升沿之間的時間差值（s）；M0—初始扭矩，即在傳感器生產(chǎn)時就固有的初始相位角（約180°左右）所計算得到的扭矩（N·m）。

4 測試系統(tǒng)實驗和分析

為測試扭矩傳感變送系統(tǒng)的測試范圍，我們采用函數(shù)信號發(fā)生器與RC 延時電路組成新的測試電路來模擬兩路具有相位差的同頻正弦信號，并接入扭矩傳感變送系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器使其產(chǎn)生不同頻率的正弦波，可觀察PC 機(jī)上LabVIEW 程序輸出曲線發(fā)現(xiàn)，在120Hz～14kHz 的頻率范圍內(nèi)正常工作。4kHz、14kHz、120Hz 的信號經(jīng)扭矩傳感變送系統(tǒng)在LabVIEW 程序的輸出結(jié)果。圖7 所示是本系統(tǒng)在頻率14kHz 時測試得到的數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠在不同頻率的信號下穩(wěn)定工作。但各個頻率下的測試誤差存在較大差異，在120Hz～4kHz 頻率范圍內(nèi)誤差為0.1%，而隨著信號頻率的增大誤差也逐漸增大。

圖7 頻率14kHz 時系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.7 Test results of the system at 14kHz

另外，我們在CQJCZ－A 機(jī)械傳動性能實驗平臺上進(jìn)行多次實驗，將我們的到的轉(zhuǎn)速扭矩數(shù)據(jù)與實驗平臺自帶軟件得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，如圖8 為ZJ－10 傳感器扭矩對比曲線。

比較兩條曲線，我們發(fā)現(xiàn)實驗平臺上的兩臺扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的真實扭矩與通過扭矩變送系統(tǒng)測試得到扭矩值非常的貼近，同條件下，二者差值不超過0.1N·m。

圖8 ZJ-10 傳感器扭矩對比曲線Fig.8 Comparison curve on torque of ZJ-10 sensor

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于相位差式傳感器扭矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng),實現(xiàn)了對扭矩轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測和顯示功能。基于扭矩轉(zhuǎn)速傳感變送系統(tǒng)的測量，脈沖計數(shù)等工作用軟件代替了傳統(tǒng)的硬件來完成，避免信號在硬件之間傳遞過程中的干擾，而且降低系統(tǒng)的成本。同時，軟件代替硬件之后，提高了測量系統(tǒng)的靈活性，可以根據(jù)測量要求設(shè)計相應(yīng)的算法來處理數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計緊湊，體積尺寸小，方便連接和安裝，成本低。且不用裝入工控機(jī)，直接USB 連接一般PC 機(jī)即可采集數(shù)據(jù)，使用靈活性高。系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用LabVIEW 程序編寫圖形化界面，數(shù)據(jù)處理方便顯示清晰，能顯示出扭矩轉(zhuǎn)速值隨時間的變化曲線，數(shù)據(jù)存儲和讀取方便，可以快捷的對比歷史數(shù)據(jù)，方便分析。

[1]葉劍林. 新型扭矩監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D]. 北京：北京科技大學(xué)，2001.

[2]文西芹，張永忠. 扭矩傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].儀表技術(shù)與傳感器，2001，12.

[3]楊海馬.無線傳輸軋鋼機(jī)接軸扭矩傳感器的研究[D]. 河北：燕山大學(xué)，2004.

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[5]石延平.一種新型磁電感應(yīng)式動態(tài)非接觸扭矩傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，5.