动态扭矩的测量

动态扭矩的测量摘要：按照不同的测量原理，将扭矩测量方法分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类。

应用最为广泛的是传递法扭矩测量方法，阐述了具体测量方法的原理、特点和适用范围。

并且简单介绍了采用磁栅转矩传感器和一种新的微机辅助相位差检测方法，并归纳出扭矩测量方法的主要发展趋势。

关键词：传感器扭矩相位差转矩测量技术相位差检测磁栅在扭矩作用下，机械构件将产生一定程度的扭转变形。

因此，扭转力矩又被称为转动力矩，简称扭矩.扭矩是能够反映机械传动系统性能的典型机械量，扭矩测量具有非常广泛的应用。

动态转矩是转矩值随时间变化很大、很快的转矩其中包括:①振动转矩:起因于机械传动系统的扭转振动,转矩值的波动具有一定周期,特征参数有转矩平均值Tm、最大振幅ΔT max、基波及各次谐波频率fi、振幅Ti;②过渡转矩:反映传动系统工作状况转换时的转矩变化过程,其特征参数有最大转矩值Tmax、最小转矩值Tmin和转矩变化率ΔT∕Δt;③随机转矩:这是一种不确定的、无规律的变化转矩,其统计特征有均方值、概率密度函数、自相关函数及功率谱密度函数。

可见动态转矩充分表征了机械传动系统的特性,对它的测量和分析是各种机械产品的开发研究、性能分析、质量检验、型式鉴定、优化控制等工作中必不可少的。

1 扭矩测量方法分类按测量原理分类，扭矩测量方法可分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类，其中传递法的应用最为广泛。

1.1平衡力法处于匀速工作状态的传动机械构件，其主轴和机体上一定同时存在一对扭矩T 和 T′，并且二者大小相等、方向相反。

通过测量机体上的 T′来测量主轴上T 的方法称为平衡力法。

设 F 为力臂上的作用力，L 为力臂长度，则 T′=LF。

可见，测得 F 和 L，即可得出 T′和 T。

平衡力法的优点是不存在传递扭矩信号的问题，力臂上的作用力 F 容易测得；缺点是测量范围仅局限为匀速工作状态，无法完成动态扭矩的测量。

1.2能量转换法能量转换法是指根据能量守恒定律，利用热能、电能等其他参数来测量扭矩的一种间接测量方法。

这种方法并不常用，其测量误差相对较高，一般为±（10～15）%，只有当直接测量无法进行时才考虑采用该种方法。

1.3 传递法传递扭矩时弹性元件的物理参数会发生某种程度的变化，利用这种变化与扭矩的对应关系来测量扭矩的方法被称为传递法。

按照不同的物理参数，可将传递法进一步划分为磁弹性式、应变式、振弦式、光电式、磁电式、电容式、光纤式、无线声表面波式、磁敏式、激光多普勒式、软测量式、激光衍射式等多种扭矩测量方法。

目前，国内外扭矩测量所应用的方法绝大多数是传递法。

在测试扭矩和转速的场合中通常,要将扭矩和转速信号转换成电信号进行测量。

最常用的测量方案有(1)采用磁电式相位差型传感器其工作原理是当输入、输出轴未施加扭矩时,传感器输出两路正弦信号彼此相差180°;当施加扭矩时,两路正弦信号彼此相差会发生变化,根据相差即可计算出扭矩大小,根据某路正弦信号频率即可计算出转速大小。

可以同时获得扭矩、转速信号,且工作稳定可靠;(2)采用电阻应变式传感器,这种传感器的工作原理是力→应变→电阻变化→电压输出。

它的优点在于体积小但它的输出信号是基于电阻的变化而得到的,受温度、电源电压等环境参数的影响较大由于它输出电压值只有毫伏级,使用它必须对其信号进行放大，需要高精度的放大电路。

２.采用磁栅转矩传感器和微机辅助相位差检测方法２.１磁电式扭矩测量法介绍2.1.1工作原理在弹性轴上安装两个相同的齿轮，磁芯和线圈组成信号采集系统，齿顶与磁芯之间预留出微小间隙，当轴转动时，两个线圈中分别感应出两个交变电动势，而且交变电动势仅与两个齿轮的磁芯相对位置和相交位置有关，通过检测电动势的大小即可得到相应的扭矩值，这种扭矩测量方法被称为感应式扭矩测量法或磁电式扭矩测量法，其工作原理如图１所示图１磁电式扭矩测量法工作原理磁电式扭矩测量法的优点是精度高，成本较低，性能可靠，其为非接触测量，即不需要电源和中间传输环节；其缺点是结构复杂，频响有限，难以制造，响应时间较长，相应的传感器尺寸和质量较大，低速时信号小而高速时动平衡困难。

磁电式扭矩测量法适用于测量能够产生较大转角位移的扭矩，能够测量启动和低速转矩。

由于其动态特性不好，所以不适于高速转动轴的扭矩测量。

2.1.2输出信号处理当输入、输出轴未施加转矩时,传感器输出两路正弦信号,彼此相差180°;当施加扭矩时,两路正弦信号彼此相差会发生变化。

将变化的信号送入单片机,计算出相位差,根据相差即可计算出扭矩大小,根据某路正弦信号频率即可计算出转速大小。

信号处理框图如图2所示。

单片机图2相位差测量电路原理框图(1)信号处理电路的设计磁电式相位差型扭矩传感器输出两路近似正弦的信号,由于其幅值小且频率较高 (转速一般为0～4 000 r/m in) ,必须采用高精度、高速电压比较器检测其过零点。

输入的正弦信号Va及Vb经零交叉比较器后整形为方波,由微分电路取出边沿脉冲加到R2S触发器上,一路使R2S触发器置位,另一路使R2S触发器复位,故R2S触发器输出的脉冲宽度即代表两路信号的相位差 (初始相位角一般为180°),而该方波的频率就是转速。

将该信号送入单片机处理,可获得扭矩及转速参数值。

相位差检测电路原理如图3。

单片机图3相位差信号检测电路原理图(2)信号处理算法设计相位差测量方法通常采用相位差测量转换为固定时间间隔测量。

该方法存在明显缺陷:测量精度会随测量信号频率变化而改变。

扭矩、转速大小分别转换成了方波的高电平的宽度和方波的频率大小。

当转速变化时,在相同脉冲数下高电平和整个脉冲的宽度计数值也是变化的。

所以,在相同脉冲数下计算扭矩大小,不同转速时,扭矩的测量精度是不同的。

为了达到等精度测量的效果,本系统在相同计数值下计算扭矩值。

２.２磁栅转矩传感器测量系统构成与测量原理２.２.１系统构成如图4所示。

磁栅转矩传感器的主要设计参数:额定量程10kg·m ;满量程转矩作用下,两磁栅的相对扭转角0.61°;磁栅外径D = 120mm。

磁栅1上有双磁道和,磁栅2上有单磁道。

磁道和上所录的波数Z1 = 1200个波周,磁道上所录的波数Z 2 = 3000个波周。

扭轴旋转时,磁头1, 2, 3和4分别拾磁输出正弦信号S1, S2, S3和S4。

其中S1和S2经分频后形成转矩测量所需的两路比相信号; Ｓ３和Ｓ4经倍频后,形成相位差辅助测量和转矩的判向信号。

图4系统构成简图2.2.2.相位转矩测量原理同频正弦信号S1和S2之间的相位关系反映了扭轴传递的转矩信息,将它们进行分频,而后测量两分频信号的相位关系,即可测知转矩。

分频的原因是:①磁道、上的录磁波数Z1= 1200,这是为了保证拾磁信号的质量。

若不经分频,而直接测S1和S2之间的相位关系,则在额定的工作转矩范围内,会造成S1和S2之间发生2Π相位翻转,这是不允许的。

②经适当分频,减少磁栅每转一周的比相测量次数(即降低测量采样的频率),以满足动态测量过程中微机进行数据预处理(必要的计算、存储)对时间的要求。

设A、B分别为S1和S2经K1= 4分频后得到的信号。

当扭轴空载旋转时,信号A、B的频率随转速而改变,两者间的相位关系一定。

调整磁头1 (或2) ,使A、B之间的初始相位差为零。

当扭轴传递动态转矩T( t)时,由于扭轴的扭转变形,磁栅1和2发生相对扭转,使A , B间的相位关系发生了θ(t)的变化, T(t)和θ(t)均是时间的连续函数。

实际测量则是对它们的离散采样,采样频率(Z1∕K1) 次转。

设对θ(t)的第i次采样测量结果为θ( i) ,理论上, T(t)的采样结果T(i)和θ(i)之间有如下关系式中, G为扭轴材料的切变弹性模量, d、L分别为扭轴的直径和有效长度。

可见,T(i)的测量归结为准确地测定随时间变化的相位差θ( i)。

2.3相位差θ(i)的测量θ(i)的测量包括两方面:一是测其大小,二是判向,即判别扭轴的旋转方向。

对θ(i)的大小进行测量是基于两路辅助测量信号:一路是高频时钟脉冲CP;另一路则由正弦信号S3和S4产生。

同时, S3和S4也用于判向。

2.3.1．基于S3和S4的辅助测量脉冲与判向图5辅助测量及判向脉冲P +、P -的形成调整磁头3与4之间的相对位置,使S3和S4相位互差90°。

以S3、S4为原始信号,经电阻链移相细分,获得相位分别为0,∏∕6,2∏∕6,3Π∕6, 4Π∕6, 5Π∕6的输出信号,它们经过零整形,产生六路1∶1占空比的方波,分为二组: F(0) , F (Π∕3) , F (2Π∕3) ; F (Π∕6), F(3Π∕6) ,F(5Π∕6)。

这两组方波分别经异或门组合处理,得到细分的新方波C和D ,见图5(a)。

它们的周期是原信号周期的三分之一,相位互差90°。

至于C超前D ,还是D超前C ,则取决于扭轴的旋转方向。

假设当扭轴正向旋转时, S3超前S4 90°,则有C超前D 90°。

而当扭轴反向旋转时,S3滞后S4 90°,亦有C滞后D90°。

利用方波C、D产生辅助测量脉冲及判向的原理示于图5(b)。

图中C1, C2, D1, D2分别为方波C、D的上升沿和下降沿触发的单稳脉冲。

由C , D , C1, C2, D1, D2可产生辅助测量及判向脉冲信号P +、P - ,其逻辑关系如下:当扭轴正向旋转(即方波C超前D 90°)时, P +处有负脉冲输出;当扭轴反向旋转时,P-处有负脉冲输出。

P+(P-) 的频率与S3(S4) 的频率之比K2=12。

2.3.2 θ( i)的测量图6“二次细分测量”原理图图6是假定扭轴正向旋转时,基于时钟脉冲C P的辅助测量及判向脉冲P +对θ( i)进行“二次细分测量”的原理图。

图中A′、B′是信号A、B经波形变换后得到的脉冲信号。

第一次细分:以A′为开门信号, B′为关门信号,用脉冲P +对相位差θ( i)进行“粗分”,由可逆计数器获取(N - N0)。

第二次细分:利用时钟脉冲C P对脉冲序列P +进行内插细分,以获得ΔN。

这是测量的关键。

具体方法是通过测定关门信号B′和与之前后相邻的负脉冲P +到达的时间关系ta, tb和tc,用抛物线插值法计算出ΔN。

考虑到负脉冲P +的宽度很窄(稍大于时钟脉冲CP的周期,由单稳触发器的调整保证),经推导,可得抛物插值公式:同理,扭轴反向旋转时, P-取代P +的作用。

测知(N - N0) ,ΔN后,θ( i)由下式计算:式中, N0为可逆计数器的预置数; N为计数器的终值;Δθp为脉冲P + (P-) 的相位差当量。