動態(tài)扭矩檢測技術(shù)研究

陳世超，易偉，李程

(中國測試技術(shù)研究院，四川成都610021)

動態(tài)扭矩檢測技術(shù)研究

陳世超，易偉，李程

(中國測試技術(shù)研究院，四川成都610021)

扭矩輸出裝置需要定期使用標(biāo)準(zhǔn)扭矩測量儀測量確保其輸出扭矩符合要求。目前使用的測量儀表多為單個硬件通道，無法實現(xiàn)多通道同時測量，并且人機(jī)交互能力有限。為克服目前儀表的缺點，設(shè)計多通道標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)扭矩測量儀。儀表在DSP和ARM的硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)實際測量過程中的功能需求編制軟件程序，可同時對3個動態(tài)扭矩信號和1個脈沖編碼器信號進(jìn)行測量，實現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角多通道多參數(shù)的測量，測量數(shù)據(jù)進(jìn)行表格化處理后可直接導(dǎo)出。實驗結(jié)果表明:該儀表具有測量實時性好、準(zhǔn)確度高、人機(jī)交互功能方便、操作簡單等特點。

扭矩;動態(tài)檢測;智能儀表;數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著我國工業(yè)技術(shù)水平日漸增強(qiáng)，對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備工作時的狀態(tài)監(jiān)測也日益受到重視［1］。扭矩測量是機(jī)械設(shè)備在測試、質(zhì)檢等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中常見的測量項目，從螺栓扭緊扭矩的測量到電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的扭矩測量，其應(yīng)用十分廣泛［2－3］。扭矩在很多應(yīng)用環(huán)境下是通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的方式動態(tài)輸出，需要在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的同時對扭矩進(jìn)行動態(tài)測量。目前，扭矩測量是通過傳感器技術(shù)來實現(xiàn)的，其測試方法正由靜態(tài)向動態(tài)方向發(fā)展，測試系統(tǒng)向著小型化、數(shù)字化、智能化、實時監(jiān)測方向發(fā)展［4］。國外的標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀價格昂貴，而國內(nèi)的設(shè)備多基于8/16位的單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理能力以及文件管理能力有限，顯示多使用多段式數(shù)碼管，不能實時顯示多種測量信息，難以在多通道數(shù)據(jù)采集處理的同時完成復(fù)雜的控制、數(shù)據(jù)后處理、顯示及存儲功能。本文開發(fā)的多通道標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)扭矩測量儀，基于DSP和ARM處理器，發(fā)揮這兩種處理器各自的優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)采集處理與文件管理和用戶交互進(jìn)行任務(wù)劃分，在多通道數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的同時，使用觸摸屏實現(xiàn)儀表操作和信息顯示，并且測量數(shù)據(jù)可以生成數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)工作原理如下:系統(tǒng)上電啟動后DSP模塊和ARM模塊分別自動進(jìn)行初始化工作并設(shè)置相關(guān)工作參數(shù)，扭矩傳感器信號和脈沖編碼器信號通過連接器接入指示儀表內(nèi)部電路，信號經(jīng)過處理后由DSP進(jìn)行高速采集，DSP將采集到的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理后傳輸給ARM模塊，ARM模塊根據(jù)用戶保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)之后通過觸摸屏顯示。相對于傳統(tǒng)儀表，該儀表具有以下特點:

1)儀表具有3個扭矩傳感器接口和1個具有信號倍頻功能的脈沖編碼器接口，可以同時實現(xiàn)3路扭矩信號和1路轉(zhuǎn)速信號的在線實時測量，并可根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計算實時功率，實現(xiàn)了多通道、多參數(shù)在線實時測量。

2)儀表使用了一塊7寸觸摸屏作為顯示和操作界面，用戶可以直接使用觸摸屏對儀表顯示的內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)輸入操作，人機(jī)交互更加方便。

3)儀表功能靈活性強(qiáng)，在扭矩和轉(zhuǎn)速測量的基礎(chǔ)上，儀表可以實現(xiàn)功率的在線實時計算和顯示，并且具備直接記錄扭矩測量值的功能，同時可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動計算扭矩測量的平均值、示值重復(fù)性、示值誤差等參數(shù)，計算結(jié)果可以直接保存在外部存儲設(shè)備中，以便后續(xù)使用。

1.2 扭矩傳感器

扭矩儀由扭矩傳感器和配套的指示儀表組成［5］。扭矩傳感器從測量原理上主要分為相位差型、磁彈性型和應(yīng)變型。相位差型扭矩傳感器環(huán)境適應(yīng)性差，磁彈性型扭矩傳感器準(zhǔn)確度較低，而應(yīng)變型扭矩傳感器則克服上述兩種傳感器的一些弱點，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟，大量應(yīng)用在各種靜態(tài)、動態(tài)扭矩測量。與靜態(tài)應(yīng)變式扭矩傳感器不同的是，動態(tài)傳感器需要將旋轉(zhuǎn)軸上測量到的應(yīng)變信號可靠地傳輸?shù)絺鞲衅黛o止部分，實現(xiàn)這一功能主要有集流環(huán)傳輸、無線射頻傳輸和電感耦合傳輸3種方法［6］。其中電感耦合傳輸通過V/F變換將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號耦合輸出到傳感器靜止部分，由于是非接觸式工作，所以不存在導(dǎo)電環(huán)磨損，使用壽命較長，同時準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較好，抗干擾能力強(qiáng)，因此得到廣泛使用。本文中的儀表選用應(yīng)變型動態(tài)扭矩傳感器，采用電感耦合傳輸方式，輸出信號為5～15 kHz頻率信號。

1.3 儀表硬件原理

該儀表原理框圖如圖1所示。指示儀表硬件主要包括扭矩傳感器和脈沖編碼器的信號處理電路、DSP處理器、ARM處理器、觸摸屏和數(shù)據(jù)交互接口。DSP數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理，ARM處理器在網(wǎng)絡(luò)通信、USB接口、觸摸屏輸入和顯示以及監(jiān)視控制方面的功能更加完善，因此該儀表中使用ARM+DSP的組合可以充分發(fā)揮兩種處理器各自的優(yōu)勢。

圖1 儀表硬件原理框圖

DSP處理器150MHz時鐘頻率使時鐘周期時間只有6.67ns，控制器內(nèi)部集成了浮點處理單元，大大提高了浮點數(shù)處理效率。片上自帶3個32位CPU定時器和8個外部內(nèi)核中斷，在150MHz時鐘頻率下可以精確測量輸入信號頻率，在轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用上，片內(nèi)增強(qiáng)正交編碼脈沖(enhanced quadrature encoder pulse，EQEP)模塊［7］可編程設(shè)置對脈沖編碼器的A、B相輸入信號進(jìn)行倍頻計數(shù)，在兩路信號的上升沿和下降沿都進(jìn)行計數(shù)，提高編碼器碼盤的分辨率。扭矩傳感器信號和脈沖編碼器信號通過信號調(diào)理電路處理之后輸入DSP模塊，通過DSP模塊對這兩路信號的采集，分析計算出輸入扭矩、主軸轉(zhuǎn)速以及主軸相對于起始點的相對轉(zhuǎn)角。在扭矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)采集處理完畢后，通過串行通訊接口(serial communications interface，SCI)［8］將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM模塊。

ARM處理器主要實現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理以及用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)等功能。ARM處理器支持SCI、I2C、USB、以太網(wǎng)等眾多通信接口，并且支持電阻式觸摸屏，可以通過這種常用并且方便的人機(jī)交互方式實現(xiàn)用戶對儀表的控制和操作以及顯示儀表內(nèi)相關(guān)信息?；贏RM處理器平臺可嵌入LINUX操作系統(tǒng)，方便儀表UI界面的開發(fā)以及儀表功能的實現(xiàn)。

1.4 儀表軟件設(shè)計

該儀表使用DSP芯片和ARM芯片協(xié)同工作的方式實現(xiàn)儀表功能，軟件部分分為DSP處理器軟件和ARM處理器軟件。DSP程序使用C語言編程［9］，ARM程序使用C++語言編程［10］。DSP程序流程簡圖如圖2所示。

上電程序啟動后首先進(jìn)行程序初始化，設(shè)置DSP相關(guān)運行參數(shù)，定義PIE中斷向量表，配置SCI、外部中斷、CPU定時器、正交編碼器模塊的I/O引腳和控制寄存器以及程序運行狀態(tài)參數(shù)和寄存器。初始化完成后進(jìn)入主程序進(jìn)行循環(huán)，主程序中主要包括扭矩數(shù)據(jù)計算、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)計算、SCI數(shù)據(jù)發(fā)送和SCI接收數(shù)據(jù)處理子程序，在執(zhí)行各個子程序前先判斷相關(guān)狀態(tài)標(biāo)志位，再確定是否執(zhí)行子程序。

圖2 DSP程序流程簡圖

動態(tài)扭矩傳感器的輸出信號為脈沖信號，使用定時器和外部中斷對脈沖信號頻率進(jìn)行測量，根據(jù)脈沖信號頻率和扭矩值大小的對應(yīng)關(guān)系最終求出動態(tài)傳感器轉(zhuǎn)軸上的扭矩大小。由于輸入信號頻率在5～15 kHz范圍內(nèi)，如果采用在固定采樣時間內(nèi)測量脈沖數(shù)的方式進(jìn)行脈沖頻率的計算，則需要較長時間才能保證測量準(zhǔn)確度，這無疑會降低儀表本身的采樣頻率，不能反映扭矩值的實時變化，因此，采用對固定脈沖數(shù)之間時間間隔進(jìn)行測量的方式計算脈沖信號頻率，在保證測量準(zhǔn)確度的同時提高儀表本身采樣頻率以實現(xiàn)更好的動態(tài)測量效果。EQEP模塊內(nèi)部同樣包含一個可編程定時器，在定時器計時的同時，對脈沖編碼器的兩相輸入進(jìn)行倍頻計數(shù)，通過計算單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)可得出旋轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)速。

ARM軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。ARM程序啟動后進(jìn)入主界面，主界面默認(rèn)為常規(guī)測量功能，直接顯示扭矩當(dāng)前值和峰值，用戶需手動記錄數(shù)據(jù)并做后期處理。用戶可以根據(jù)所接傳感器的數(shù)量和通道號的不同，進(jìn)入設(shè)置界面，選擇需要顯示的通道，主界面的數(shù)據(jù)顯示框也會隨之而變。在設(shè)置界面，可以對每個通道的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行單獨設(shè)置。在設(shè)置界面下有儀表自校準(zhǔn)和傳感器校準(zhǔn)兩種校準(zhǔn)功能。

圖3 ARM軟件結(jié)構(gòu)框圖

儀表自校準(zhǔn)是指指示儀表出廠時對采集到的原始信號脈沖進(jìn)行內(nèi)部的自我校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的方法是將準(zhǔn)確度較高的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(比如5 kHz，10 kHz和15 kHz 3組)分別接入儀表，儀表采集的信號會有非常微小的誤差，校準(zhǔn)可以修正這一誤差。

傳感器校準(zhǔn)是將指示儀表和扭矩傳感器配套成為一套準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)，校準(zhǔn)后直接顯示為N·m等國際單位，由于儀表已經(jīng)進(jìn)行了自校準(zhǔn)，保證了每一只儀表的顯示準(zhǔn)確度都是一樣的，因此任意一組傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)都可以直接移植到另外一只儀表中，直接使用。通過儀表自校準(zhǔn)和傳感器校準(zhǔn)兩次校準(zhǔn)方式使儀表達(dá)到更高的準(zhǔn)確度。

儀表自校準(zhǔn)和傳感器校準(zhǔn)采用最小二乘法擬合校準(zhǔn)曲線，對給定數(shù)據(jù)點(xi，yi)(i=0，1，…，m)，在取定的函數(shù)類Φ中，求P(x)∈Φ，使誤差:

ri=P(xi)－yi，(i=0，1，…，m)的平方和最小，即:

其中i=0，1，…，m。

在幾何意義上，最小二乘法擬合的曲線與給定點的距離平方和最小，因此，選用最小二乘法擬合校準(zhǔn)曲線。

在功能選擇中有3種可選功能，前述的常規(guī)測量功能，功率計算功能和測量計算功能，功率計算主要針對需要測量功率的場合，在該模式下，用戶需接上一個扭矩傳感器和一個編碼器，可直接測量功率，并顯示出來。測量計算功能在連續(xù)測量3次或5次，儀表可自動計算測量的平均值、示值重復(fù)性、示值誤差等參數(shù)，并且所有測量計算數(shù)據(jù)可直接以EXCEL格式保存到U盤中。

2 試驗及數(shù)據(jù)分析

對指示儀表進(jìn)行自校準(zhǔn)，使用高精度波形發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率方波信號，由于扭矩傳感器信號輸出范圍5～15 kHz，分別設(shè)置波形發(fā)生器輸出5 kHz，10 kHz和15 kHz的方波信號模擬傳感器的輸出信號，用指示儀表采集方波信號，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 指示儀表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

將扭矩傳感器接入，傳感器選用威斯特中航CYB－805S扭矩傳感器，使用500 N·m靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對傳感器檢定，數(shù)據(jù)見表2。

表2 傳感器檢定數(shù)據(jù)

從表中可以看出，該傳感器出廠標(biāo)稱準(zhǔn)確度為0.3%，示值相對誤差在0.2%以內(nèi)，且示值重復(fù)性較好。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了多通道、多參數(shù)采集的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)扭矩檢定儀，采用DSP和ARM芯片協(xié)同工作的方式對扭矩進(jìn)行動態(tài)測量，利用DSP芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集運算能力和ARM芯片人機(jī)交互、數(shù)據(jù)管理、多任務(wù)調(diào)度以及用戶應(yīng)用程序方便實現(xiàn)方面的優(yōu)勢，可實現(xiàn)3個扭矩信號以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的同時測量，并且能夠?qū)y量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計算存儲，體積小、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，符合智能化儀表的發(fā)展趨勢，具有較高的實用價值。

［1］楊文志，馮志斌，何維娜.傳動軸扭矩測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗分析［J］.中國測試，2015，41(1):120－123.

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［3］陳國民，張東青，李乃川.基于AVR單片機(jī)的扭矩測試儀裝置的研究［J］.黑龍江科學(xué)，2014(11):14－16.

［4］鄭譚.高速旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)扭矩測試研究［D］.太原:中北大學(xué)，2015:1－2.

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［8］Texas Instruments.Serial Communications Interface Reference Guide［Z］.Texas Instruments.2009.

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［10］STANLEY B L.C++Primer［M］.王剛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

(編輯:劉楊)

Research of dynamic torque detection technology

CHEN Shichao，YI Wei，LI Cheng
(National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

The device needs to be measured by standard measuring instrument termly to ensure the output torque to meet the requirements.Because the present measuring instruments are mostly single hardware channel，it’s impossible to measure all channels at the same time，and the interaction ability of the instrumentsis limited.In this article，a multi－channel standard dynamic torque measuring instrument is designed to overcome the shortcomings of the current instruments.The instrument is based on the DSP and ARM，and the software is compiled according to the functional requirements of the actual measuring process.The instrument can measure three dynamic torque signals and a pulse encoder signal at the same time，realizing the measurement of torque，speed and angle.The measuring data can be exported after being edited in the form.The experimental results show that the instrument has the characteristics of good real－time performance，high accuracy，convenient interaction and simple operation.

torque;dynamic detection;intelligent instrument;data collection

A

1674－5124(2016)11－0075－4

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.016

2016－05－09;

2016－07－20

陳世超(1965－)，男，四川成都市人，高級工程師，主要從事力學(xué)計量方面的研究。