一种高精度测量转矩方法的研究

　　0　引言

　　转矩和转速是传动系统的重要参数,转矩测量是传动系统参数测试的技术难点。由于温度补偿和初始相位补偿问题较难解决,故动态扭矩的测量准确度较低。该文提出采用相位差法测量转矩,根据设计出的光栅转矩传感器,利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7064SLC44-10工作频率高的特性,对两路输出具有一定相位差的信号进行处理,精确地记录相位差内高频脉冲的个数,并通过有效的方法消除了初始相位对测量精度的影响,同时讨论了温度补偿问题,从而实现了转矩的高精度测量。

　　1　光栅转矩传感器测量原理

　　转矩传感器测量系统的结构及工作原理如图1所示[1]。光栅对A和光栅对B分别安装在弹性轴两端,光栅对两侧分别装有光电发射管1和光电接收管2。

　　光栅式传感器测量原理是通过弹性轴把转矩转换成扭转角。测量系统的负载转矩和转轴的扭转角满足下列关系式[2]

　　式中:φ为轴的扭转角(rad);T为转矩(N·m);L为轴的工作长度(m);D为轴的直径(m );G为轴材料的剪切弹性模量(N/m2)。当被测轴没有转矩时,两对光栅片之间不会发生相对转动,则光栅1与2的光电接收管输出完全相同的近似正弦波信号uA和uB,它们之间的相位差为0;当受到转矩T作用时,弹性轴发生扭转变形产生一个扭转角φ,光栅对A与B的光电接收管将输出具有一定相位差的正弦波信号。该相位差Φ与扭转角φ成正比。因此,测得相位差Φ,就可以得到相应的扭转角,从而计算出转矩值。

　　2　相位差的测量

　　由上面的分析可知,只需求出扭转角φ,将此角度代入式(1)便可计算出转矩值T。但是直接测量扭转角φ是比较困难的,文中采用高频脉冲插值法,先测量A、B两路信号相位差内高频脉冲的个数,然后再转化为扭转角φ。

　　由于扭转角φ和高频脉冲的频率fH、高频脉冲的个数M、电机转一周的时间t存在如下的关系:

　　所以只要测出高频脉冲个数M和电机转一周的时间t,即可得到负载转矩值T。

　　2.1　高频脉冲的测量方法

　　使用复杂可编程逻辑器件( CPLD )EPM7064SLC44-10芯片,实现对输出信号的脉冲计数,可以迅速得出精确的相位差以及电机转动方向的判断。该器件具有2 500个可用门和系统可编程(ISP)功能,其引脚延时快达5 ns,计数器频率高达175. 4MHz,具有全局时钟、输出使能控制等增强特性,是电子技术界中速度最快的可编程逻辑器件之一[3]。

　　如图2所示的信号处理电路,将两路正弦波信号uA和uB分别经过放大、整形、滤波后转换成方波信号u*A和u*B,然后把转换后的方波信号送入可编程逻辑器件CPLD中。在CPLD内将u*B的方波取反后再与u*A的方波相与,输出波形记为uC, uC的脉宽即为u*A和u*B两路信号的相位差Φ。