基于PIC單片機(jī)的數(shù)顯扭矩扳手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳建軍, 謝 峰, 汪小武, 馬 亮, 夏政誠

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展,不同機(jī)械部件之間的聯(lián)結(jié)趨于精密。然而,傳統(tǒng)的機(jī)械扳手因無法提供較大扭矩及控制精度低等原因會(huì)出現(xiàn)“欠擰緊”與“超擰緊”現(xiàn)象,因而無法確保聯(lián)結(jié)的可靠性和滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求,所以,研制一款控制精度較高的數(shù)顯扭矩扳手具有很高的實(shí)用價(jià)值[1]。

針對(duì)數(shù)顯扳手扭矩輸出的控制,許多學(xué)者做了深入的研究。李晶設(shè)計(jì)了一種霍爾傳感器用于監(jiān)測(cè)控制扭矩,并將扭矩信息處理后通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示,但該方案的整體控制功能簡(jiǎn)單,控制精度稍低[2]；石延平等人從傳感器出發(fā),利用壓磁效應(yīng)研制出一種非接觸式動(dòng)態(tài)扭矩傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩值的輸出控制[3]；為解決扭矩傳感器安裝不易等問題,盧臘等人基于應(yīng)變檢測(cè)原理和無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)出一種動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的控制[4]；湯春球、李博文等則利用扭矩轉(zhuǎn)角法來控制扭矩的輸出,可實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的精準(zhǔn)控制[5,6]。上述方案均采用扭矩傳感器進(jìn)行扭矩監(jiān)控,雖能精確控制扭矩輸出,但由于扭矩扳手工作環(huán)境惡劣,外部環(huán)境中存在大量的電磁干擾,扭矩傳感器很可能因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)出錯(cuò)而導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤甚至失控等問題,具有極大的安全隱患。

本文提出了一種通過檢測(cè)扳手運(yùn)行中的電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)來控制扭矩輸出的方案。該方案能準(zhǔn)確傳遞輸出扭矩、有效控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及反映系統(tǒng)異常工作狀態(tài),大大地提高了系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)誤差達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求,扭矩輸出穩(wěn)定、精確,完成了一種新型數(shù)顯扭矩扳手的研制。

1 數(shù)顯扭矩扳手系統(tǒng)方案

1.1 控制系統(tǒng)的原理

本設(shè)計(jì)使用直流有刷電機(jī)進(jìn)行扭矩輸出。在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中,電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為[7]

(1)

式中Tem為電磁轉(zhuǎn)矩,T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,T2為空載轉(zhuǎn)矩,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,GD2為電機(jī)軸上的飛輪慣量。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中,由于空載T2很小,可忽略不計(jì),所以由式(1)可得

(2)

直流電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為

Tem=CTΦIa

(3)

式中CT=Np/2πa為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ為電樞磁通。

聯(lián)立式(2)、式(3)可得負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1為

(4)

由式(4)可知負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系方程T1=f(Ia,n)。由以上分析可知電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著電樞電流的增加而線性增加,當(dāng)負(fù)載較大時(shí),電樞反應(yīng)的去磁作用會(huì)使電磁轉(zhuǎn)矩略有下降。而電機(jī)空載時(shí),電樞電流Ia=Ia0,電磁轉(zhuǎn)矩Tem=CTΦIa0=T2；帶動(dòng)負(fù)載時(shí)T′em-T1-T2=(GD2/375)×(dn/dt)；可得到電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩與除去空載運(yùn)行電樞的電流增量和扭矩之間的關(guān)系方程T1=f(ΔIa,n)[7]。綜上所述,電機(jī)的負(fù)載扭矩由電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,所以,可通過檢測(cè)電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)而得到電機(jī)具體的負(fù)載扭矩值。

1.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

采用模塊化的思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路,主要有主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、參數(shù)檢測(cè)模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊以及上位機(jī)通信模塊。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 硬件電路總框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

選取PIC18F4520單片機(jī)為主控制器,它價(jià)格低廉,抗干擾能力強(qiáng)。該單片機(jī)采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)結(jié)構(gòu),功耗極低,其I/O端口具有25 mA吸入/拉出電流,可直接用于驅(qū)動(dòng)繼電器和光耦[8]。還具有8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,3個(gè)定時(shí)器,2個(gè)捕獲/比較/脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)功能,以滿足控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的要求,同時(shí)還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與計(jì)算機(jī)通信的功能。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用了PWM控制HIP4081電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通的方式來控制電機(jī)的啟動(dòng)。該方式可降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)電流,能保護(hù)整個(gè)電路并提高信號(hào)采集精度。HIP4081驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流峰值為2 A,工作頻率為1 MHz,具有DIS禁止端,能夠控制芯片所有端口的輸入,方便與外圍電路結(jié)合組成保護(hù)電路。如圖2所示,用4個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)和電機(jī)組成H型驅(qū)動(dòng)電路,將HIP4081驅(qū)動(dòng)芯片的ALI和BLI接到單片機(jī)上,由單片機(jī)提供相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片控制H橋可實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 參數(shù)采集模塊

參數(shù)采集分為電流采集和轉(zhuǎn)速采集兩部分。使用ACS758電流傳感器采集電流信號(hào)。該傳感器可測(cè)量0～100 A的電流,靈敏度40 mV/A。如圖3所示,采集的電流信號(hào)從IP+端口進(jìn)入ACS758模塊,經(jīng)ACS758處理后從VIOUT口輸出。為了提高電流的采集精度,將采集的電流信號(hào)經(jīng)過濾波后,從OPAI輸出到單片機(jī)的RA1接口,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量并存儲(chǔ)在寄存器中以備隨時(shí)調(diào)用。

圖3 電流檢測(cè)電路

使用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其工作原理是在電機(jī)軸上安裝磁性轉(zhuǎn)盤,傳感器安裝在磁體旁邊,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)磁盤轉(zhuǎn)動(dòng),傳感器每檢測(cè)到一次磁體就會(huì)輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖,求得單位時(shí)間的脈沖數(shù)便可得被測(cè)轉(zhuǎn)速[9]。本設(shè)計(jì)使用SJ1092H型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,其頻響特性處于0～20 kHz,負(fù)載能力最大20 mA。電路如圖4所示,為了提高轉(zhuǎn)速采集的精確度,加入了RC電路,可有效消除轉(zhuǎn)速信號(hào)的高平干擾。

圖4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總方案

軟件開發(fā)環(huán)境是由MPLAB、HI-TECH和PIC單片機(jī)聯(lián)合組成。使用C語言在MPLAB上進(jìn)行編寫,用HI-TECH進(jìn)行編譯并下載到PIC單片機(jī)中。該軟件可實(shí)現(xiàn)程序的在線編程和修改,簡(jiǎn)單方便。

1)系統(tǒng)上電后,初始化各端口寄存器和模塊。隨后在扭矩設(shè)置界面設(shè)定扭矩,選擇電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向,按下啟動(dòng)按鍵,進(jìn)入PWM驅(qū)動(dòng)程序。將單片機(jī)的CCP1設(shè)置為PWM模式,并給周期寄存器設(shè)定初始周期和脈寬值。打開TMR2定時(shí)器,逐漸增加脈寬值到100 %,隨后關(guān)閉CCP1并將RC2引腳置1,保持電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)轉(zhuǎn)速采集使用CCP模塊捕捉單個(gè)脈沖的上升沿時(shí)間Tk1和下降沿時(shí)間Tk2,則周期T=2(Tk2-Tk1),頻率f=1/T,根據(jù)式n=60f/p可計(jì)算出轉(zhuǎn)速；電流信號(hào)則使用電流傳感器采集。

3)利用單片機(jī)內(nèi)置的10位高速A/D模塊對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,使用滑動(dòng)加權(quán)平均濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。原理為：定義長度M=10的序列,每次采集的數(shù)據(jù)都從序列尾部輸入。當(dāng)數(shù)據(jù)多余10個(gè)時(shí),多余的數(shù)據(jù)會(huì)從頭部移除,對(duì)10個(gè)數(shù)據(jù)加權(quán)后取平均值作為采樣輸出值。其公式如下

(5)

式中ci為加權(quán)系數(shù),ci=1/Δ；其中,Δ=1+e-r+e-2r+…+e-(N-1)r,r為滯后時(shí)間。

4)將采集的轉(zhuǎn)速和電流輸入單片機(jī)中計(jì)算出當(dāng)前的扭矩值,與設(shè)定的扭矩值比較。當(dāng)計(jì)算的扭矩值和設(shè)定的數(shù)值相等時(shí),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),顯示“完成”字樣。若小于設(shè)定值,則繼續(xù)工作直至達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)停止。整個(gè)過程都會(huì)對(duì)電壓、溫度和電流進(jìn)行檢測(cè),一旦出現(xiàn)異常系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止并顯示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與精度檢測(cè)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的數(shù)顯扭矩扳手控制系統(tǒng)的控制精度,需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在完成所有硬件模塊調(diào)試和軟件編程后,搭建如圖5所示的扭矩測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)選取1 200～3 000 N·m測(cè)試范圍,間隔300 N·m測(cè)試一次,每次測(cè)試3組取平均值。測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 扭矩測(cè)試平臺(tái)

表1 測(cè)試數(shù)據(jù) (N·m)

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析與校準(zhǔn)

理論上,電動(dòng)扳手的設(shè)定值應(yīng)與實(shí)際值保持一致。但是由于影響扳手的精度除了建立模型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、電流之外,還受電機(jī)的機(jī)械因素等影響,加上扳手使用中溫度升高會(huì)影響磁通量,而理論考慮時(shí)認(rèn)為磁通量為定值,因此出現(xiàn)表1所示情況。

針對(duì)這種情況,將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中,使用線性回歸的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、校準(zhǔn)。取線性回歸模型的數(shù)學(xué)方程為

y=a+bx+ε

(6)

式中a為截距項(xiàng),b為斜率項(xiàng),ε為誤差項(xiàng)，x為設(shè)定扭矩值,y為實(shí)際扭矩值。當(dāng)誤差項(xiàng)ε達(dá)到最小可得到期望曲線。由于ε可為正值或負(fù)值,所以將ε達(dá)到最小轉(zhuǎn)換為ε平方和最小問題。計(jì)算公式如下

(7)

若使J(a,b)達(dá)到最小,可對(duì)a,b求偏導(dǎo)來求解參數(shù)a和b,進(jìn)而得到J(a,b)的最小值。計(jì)算公式如下

(8)

聯(lián)立式(6)～式(8)可得

(9)

扳手使用前,需先采集x1=1 200 N·m和x2=3 000 N·m兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際值,代入式(6)、式(9)中計(jì)算出線性回歸曲線,按照校正后的曲線模型進(jìn)行扭矩輸出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能有效避免電機(jī)在生產(chǎn)中造成的參數(shù)不一致等因素對(duì)扭矩輸出的影響,大大提高扭矩控制精度。

4.2 系統(tǒng)精度檢測(cè)與誤差分析

在扳手使用前先測(cè)量1 200 N·m和3 000 N·m對(duì)應(yīng)的扭矩值進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后通過扭矩測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行扭矩輸出精度測(cè)試,測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 校準(zhǔn)后測(cè)試結(jié)果

由表2可知,在1 200～3 000 N·m的扭矩測(cè)試范圍中,該數(shù)顯扭矩扳手能以設(shè)定的扭矩對(duì)螺栓進(jìn)行緊固,扭矩輸出相對(duì)誤差最高為4.51 %,最低為1.27 %,且扭矩輸出較為平穩(wěn),離散性較小,控制精度均優(yōu)于±5 %,系統(tǒng)控制精度滿足設(shè)計(jì)要求,數(shù)顯扭矩扳手功能基本實(shí)現(xiàn)。

然而理論上設(shè)定的扭矩應(yīng)該和實(shí)際輸出的扭矩保持一致。分析±5 %的誤差存在的原因是：影響扳手的精度除了建立模型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、電流之外,還受電機(jī)的機(jī)械因素等影響；扳手運(yùn)轉(zhuǎn)中,測(cè)量設(shè)備間的機(jī)械摩擦阻力影響了一部分扭矩輸出；扭矩測(cè)量?jī)x器存在著±1 %的系統(tǒng)測(cè)量誤差。

5 結(jié) 論

本文以PIC單片機(jī)為核心,通過合理的軟件和硬件設(shè)計(jì),在節(jié)約成本的同時(shí)完成了數(shù)顯扭矩扳手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭矩輸出的精確控制,扭矩相對(duì)誤差控制在±5 %以內(nèi),并具有可靠性高,工作狀態(tài)可追溯及方便攜帶等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求,具有廣泛的應(yīng)用前景。