基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)*

趙 浩

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興314001）

基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)*

趙 浩*

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興314001）

扭矩測量裝置的研制是建立機械傳動系統(tǒng)保障體系的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)計了一種基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由感應(yīng)移相式扭矩傳感器和基于FPGA的信號處理器兩部分組成，扭矩傳感器由勵磁繞組建立脈振磁通，通過電磁耦合和外接輸出電路參數(shù)的合理匹配，將負載扭矩轉(zhuǎn)化成勵磁電壓和輸出電壓的相位差；FPGA對兩路信號進行采集，并采用高頻脈沖對兩路信號的相位差進行插值，將其轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)，處理后即可得到精確的相位差。最后采用高精度扭力扳手對傳感器進行了標(biāo)定，實驗結(jié)果表明測量系統(tǒng)的相對誤差約為0.51%，遲滯誤差約為0.6%，線性誤差約為0.57%，重復(fù)性誤差約為0.84%。

扭矩；電磁感應(yīng)；相位差；標(biāo)定

隨著科技的不斷發(fā)展，扭矩測量技術(shù)得到了人們的高度重視而成為測試領(lǐng)域發(fā)展較快的學(xué)科，在工業(yè)、航天、軍事等多個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用［1-2］。例如在鉆井過程中使用扭矩傳感器，通過對扭矩參數(shù)的測量能正確指導(dǎo)工程施工，有利于快速發(fā)現(xiàn)油氣顯示和提高鉆井效率［3］；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電子控制單元通過接收到的轉(zhuǎn)向盤扭矩信號，控制電機電流產(chǎn)生合適的助力［4］；直接測量隔離開關(guān)主閘刀的合閘力矩值，以指導(dǎo)和控制隔離開關(guān)的機械性能調(diào)試［5］。

近年來許多學(xué)者在扭矩測量方面進行了大量的研究，設(shè)計了多種新型扭矩測量裝置，包括分段激磁式扭矩傳感器［6］、環(huán)形球柵式扭矩傳感器［7］、差動感應(yīng)式式扭矩傳感器［8］、基于螺管形差動變壓器的非接觸式扭矩傳感器［9］、基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器［10］、激光反射式扭矩測量系統(tǒng)［11］、環(huán)形差動壓磁式非接觸動態(tài)扭矩傳感器［12］、基于矢量抵消原理的扭矩傳感器［13］、基于鐵基非晶態(tài)合金的非接觸半套環(huán)式新型扭矩傳感器［14］和一種雙偏輪動態(tài)扭矩傳感器［15］等等。

本文提出了一種基于FPGA的感應(yīng)移相式新型扭矩測量裝置，詳細闡述了扭矩傳感器的機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的扭矩測量原理，推導(dǎo)了扭矩傳感器的輸出特性，給出了測量系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，最后采用高精度扭力扳手對扭矩測量系統(tǒng)進行了標(biāo)定，得到了系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。

1 傳感器機械結(jié)構(gòu)

扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳感器軸的左端與支架1為一體式設(shè)計；勵磁鐵心固定在支架1的內(nèi)側(cè)，與傳感器軸同軸心，勵磁鐵心設(shè)有繞組槽，勵磁繞組D1-D2和補償繞組D3-D4嵌放在繞組槽中，且勵磁繞組和補償繞組的軸線在空間上互相垂直；支架2同軸心的固定在傳感器軸的右端，支架2的另一端通過軸承支撐，與傳感器軸可以做相對運動；輸出鐵心固定在支架2的外側(cè)，輸出鐵心設(shè)有繞組槽，輸出繞組Z1-Z2和Z3-Z4置于槽內(nèi)，兩相繞組的軸線正交；勵磁鐵心和輸出鐵心存在空氣隙，且勵磁鐵心和輸出鐵心均采用高磁導(dǎo)率的鐵鎳軟磁合金片或高導(dǎo)磁性硅鋼片沖剪疊壓構(gòu)成。

圖1 傳感器機械結(jié)構(gòu)圖

2 傳感器工作原理

當(dāng)一根彈性軸受到負載扭矩作用時，彈性軸兩端截面產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)角Δθ，在彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與負載扭矩存在如下關(guān)系式［16］：

式中：Δθ—軸的扭轉(zhuǎn)角(rad)；T為負載扭矩(N/m)；L為軸的工作長度(m)；D為軸的直徑(m)；G為軸材料的剪切模量(N/m2)。其中比例系數(shù)K通過標(biāo)定試驗得到，因此，只要知道扭轉(zhuǎn)角θ的數(shù)值，即可得到T。

圖2 傳感器工作原理與接線圖

傳感器的工作原理接線圖如圖2所示，負載扭矩為零時的接線圖如圖2（a）所示，負載扭矩不為零時的接線圖如圖2（b）所示，圖2（b）中的輸出繞組相對圖2（a）中的初始位置，逆時針轉(zhuǎn)過了角度θ。

勵磁繞組D1-D2通入交流電后產(chǎn)生脈振磁通（某瞬間方向如圖2所示），經(jīng)由勵磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成閉合磁路，輸出繞組Z1-Z2、Z3-Z4與φ1匝鏈，其匝數(shù)同為N，則分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢，根據(jù)楞次定律，此瞬間輸出繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向如圖2所示，感應(yīng)電勢的大小為：

由于Z1和 Z3連接，Z1-Z2和電阻 R串聯(lián)，Z3-Z4和電容C串聯(lián)，再將末端連接，便形成回路Z1-Z2-R-C-Z4-Z3-Z1，回路中的電流為IR，方向如圖所示。圖中uR為回路兩端的電壓，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，由圖可知：

由此可知，輸出電壓uR的相位與扭轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系，因此通過測量勵磁電壓和輸出電壓兩路電信號的相位差就可以得到扭轉(zhuǎn)角θ的數(shù)值，進而得到負載轉(zhuǎn)矩T。

3 傳感器信號處理

3.1 信號處理的原理

把測量θ值的大小轉(zhuǎn)化為測量高頻插值脈沖的個數(shù)，圖形解釋如圖3所示。負載運行時，勵磁電壓和輸出感應(yīng)電勢兩路信號經(jīng)過濾波、放大、整形后分別為A和B所示，存在相位差?，即為負載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為θ。設(shè)t1～t2時間段內(nèi)（圖示為4個信號周期）對應(yīng)相位差內(nèi)的高頻脈沖個數(shù)為M，總的脈沖個數(shù)為N，則負載時相位差?：

所以只要測出高頻脈沖個數(shù)M和N，即可得到扭角θ，進而根據(jù)式（1）標(biāo)定后可以得到負載扭矩T。

圖3 信號處理原理圖

3.2 信號處理的實現(xiàn)

由上述扭矩測量系統(tǒng)的工作原理可知，為得到勵磁電壓和輸出電壓兩路信號相位差內(nèi)高頻脈沖個數(shù)M和N，采用FPGA設(shè)計的信號處理器的內(nèi)部構(gòu)成如圖4所示，包括倍頻器、門控電路、計數(shù)器、鎖存器、數(shù)據(jù)處理單元和一些邏輯門電路。

圖4 FPGA內(nèi)部邏輯圖

圖4中RESET為測量電路初始化信號；DATAA、DATAB分別為勵磁電壓和輸出感應(yīng)電勢兩路信號經(jīng)過濾波、放大、整形后的方波信號；CLOCK為高頻脈沖信號，由外部有源晶振經(jīng)過倍頻后產(chǎn)生；PD為兩路輸入信號的相位差；IS為相位差信號PD和高頻脈沖信號CLOCK的與邏輯信號；START為兩個計數(shù)器的計數(shù)開始信號；DONE為兩個計數(shù)器的計數(shù)結(jié)束、鎖存器鎖存計數(shù)值信號。

信號處理的實現(xiàn)過程如下：①RESET初始時為邏輯高電平，計數(shù)器1和計數(shù)器2清零，寄存器1和寄存器2清零，數(shù)據(jù)處理單元清零，門控電路輸出信號START為邏輯低電平，輸出信號DONE為邏輯高電平；②RESET反轉(zhuǎn)為邏輯低電平，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)相位差信號PD的第一個上升沿到來的時候，門控電路輸出信號START翻轉(zhuǎn)為邏輯高電平，輸出信號DONE仍為邏輯高電平，則兩個計數(shù)器前面的與邏輯門打開，兩個計數(shù)器同時進行計數(shù)，其中計數(shù)器1對高頻脈沖信號CLOCK進行計數(shù)，計數(shù)器2對相位差信號PD內(nèi)的高頻脈沖進行計數(shù)；③當(dāng)相位差信號PD的第5個（也可以設(shè)定為其它數(shù)值）上升沿到來的時候，門控電路輸出信號DONE翻轉(zhuǎn)為邏輯低電平，關(guān)閉兩個計數(shù)器前面的與邏輯門，兩個計數(shù)器同時結(jié)束計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果存儲在對應(yīng)的寄存器中；④數(shù)據(jù)處理單元開始讀取兩個寄存器中的計數(shù)值，并按照式（5）進行計算，得到兩路信號的相位差。

對圖4設(shè)計的信號處理電路進行仿真，結(jié)果如圖5所示。

4 標(biāo)定實驗

對測量裝置標(biāo)定前要對扭矩傳感器軸承受的強度進行核算，為了使傳感器軸工作在彈性范圍內(nèi)，軸所受的最大剪應(yīng)力必須小于材料所允許的剪切比例極限。本文設(shè)計的扭矩傳感器軸中間較細的部分直徑為D=10 mm，兩個支架之間的有效長度L=30 mm，傳感器軸彈性軸材料為40 Cr，可查得σs=785 N/mm2，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)公式可得Tmax≈105 N/m，標(biāo)定實驗過程中，為了保證一定的裕度，對扭矩傳感器加載的扭矩最大不超過70 N/m。

實驗時將扭矩傳感器支架1一端裝在固定，另一端采用高進度扭力扳手進行加載，扭力扳手為嵊州嘉牧公司生產(chǎn)的ACD-100型，量程為100 N/m，分辨率為1 N/m；測量電路中的外部有源晶振為50 MHz，采用的FPGA型號為EP2C8Q；標(biāo)定實驗結(jié)果如表所示，由此可知測量裝置的相對誤差約為0.51%；遲滯誤差約為0.6%；線性誤差約為0.57%；重復(fù)性誤差約為0.84%。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型感應(yīng)移相式扭矩傳感器，詳細闡述了傳感器的機械結(jié)構(gòu)和測量原理，并設(shè)計了基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量電路，通過仿真和實驗都證明了測量裝置的實用性和可行性，其性能指標(biāo)能夠滿足實際工程中扭矩測量的需要。

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趙 浩（1983-），男，講師，主要研究方向為新結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計、旋轉(zhuǎn)機械與傳動系統(tǒng)振動特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科學(xué)基金、浙江省教育廳科研項目和嘉興市科技計劃項目等多項課題，在Sensors、Review of sci?entific instruments、Journal of Vibroengi?neering和傳感技術(shù)學(xué)報、計量學(xué)報等期刊上發(fā)表多篇論文，zhaohao204@163.com。

A Induction Phase-Shifting Torque Measurement System Based on FPGA*

ZHAO Hao*
（Nanhu College of Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

Torque measuring device is one of the key technologies to set up the security system of mechanical trans?mission system，therefore，a new induction phase-shifting torque measurement system based on FPGA is designed in this paper.The system is composed of induction phase-shifting torque sensor and signal processor based on FP?GA，the pulsating magnetic flux is established by the excitation winding of torque sensor，and the load torque is con?verted into the phase difference of excitation voltage and output voltage，it is realized through the electromagnetic coupling and the external output circuit parameters matching，these two signals are sampled and interpolated with high frequency pulses by FPGA，and the phase of two signals are obtained after processing.The measurement sys?tem is calibrated by high precision torque wrench，the experimental results indicated the relative error is about 0.51%，the hysteresis error is about 0.6%，the linearity error is about 0.57%，the repeatability error is about 0.84%.

torque；electromagnetic induction；phase difference；calibration

TP212

A

1004-1699(2015)10-1486-04

??7230；7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.012

項目來源：浙江省自然科學(xué)基金項目（LQ14E050007）；嘉興市科技計劃項目（2015AY11018）；嘉興學(xué)院南湖學(xué)院科研重點課題項目（N41472001-4）

2015-04-08 修改日期：2015-08-06