基于彈性聯軸器形變量檢測的電機扭矩測試系統*

吳召劍， 吳定祥， 龔金成， 張春熹， 唐立軍

(1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114;2.近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114;3.長沙億旭機電科技有限公司，湖南 長沙 410000;4.常德市電子技術研究所，湖南 常德 415000)

基于彈性聯軸器形變量檢測的電機扭矩測試系統*

吳召劍1,2， 吳定祥2,3， 龔金成4， 張春熹1,2， 唐立軍1,2

(1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114;2.近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114;3.長沙億旭機電科技有限公司，湖南 長沙 410000;4.常德市電子技術研究所，湖南 常德 415000)

摘要:針對電機的動態扭矩和靜態扭矩的實時測量問題，以開關磁阻電機為研究對象，提出了一種用于測量電機動、靜態扭矩的實時測量方案，并設計了電機扭矩測試系統。該方案利用兩個旋轉變壓器檢測彈性聯軸器因受扭矩作用產生形變量的原理，設計FPGA+ARM控制架構，達到實時、準確檢測電機的動態扭矩和靜態扭矩的要求。靜態扭矩按JJG 2047—2006《扭矩計量器具檢定系統表》方法測試，靜態扭矩最大相對誤差為0.73%。動態扭矩由精密動態扭矩裝置進行驗證，動態扭矩最大相對誤差為0.68 %。

關鍵詞:彈性聯軸器； 扭矩測量； 開關磁阻電機

0引言

扭矩是電動機的重要參數之一[1]，近年來許多學者在扭矩測量方面進行了大量的研究，設計了多種新型的扭矩傳感器和扭矩測試系統，包括動態、非接觸性扭矩傳感器[2～6]，靜態、非接觸性扭矩傳感器[7，8]，基于FPGA的感應移相式扭矩測量系統[9]和基于ZigBee的無線扭矩測量系統[10]及基于STM32的高精度扭矩測量系統[11]等。準確、實時測量電機的動態扭矩和靜態扭矩是目前亟待解決的問題。

本文針對開關磁阻電機動、靜態扭矩測試，探討扭矩測量原理和實現方法，設計測試系統，為開關磁阻電機動、靜態扭矩實時、準確測試提供有效的參考。

1扭矩測量原理

為實現電機在動態和靜態下的扭矩測量，本文設計了扭轉角扭矩測量法，即通過檢測彈性聯軸器的形變量來實現扭矩的測量。測量原理如下：被測動力電機與反作用力負載電機通過彈性聯軸器同軸相連，兩個電機均分別安裝了旋轉變壓器。當兩個電機均處于靜止狀態時，將兩個旋轉變壓器檢測到的兩個電機轉子的角度差置零(此時彈性聯軸器的形變量為零)。測量靜態扭矩時，反作用力負載電機處于卡死狀態，運行被測動力電機，系統最終處于一個平衡狀態，此時彈性聯軸器因受到扭矩的作用產生形變，通過兩個旋轉變壓器檢測出彈性聯軸器的扭轉角θ，從而可測出被測動力電機的靜態扭矩值M。測量動態扭矩時，被測動力電機和反作用力負載電機的運行方向相反，反作用力負載電機提供一個反向扭矩，由于被測動力電機的扭矩比反作用力負載電機的扭矩大，兩個電機的轉子旋轉方向和被測動力電機的運行方向相同，系統最終處于一個平衡狀態，此時彈性聯軸器因受到扭矩的作用產生形變，通過兩個旋轉變壓器檢測出彈性聯軸器的扭轉角 ，因此，被測動力電機的動態扭矩值M也測出。扭矩測試原理圖如圖1所示。

圖1　扭矩測量原理圖Fig 1　Principle diagram of torque measurement

根據上述原理，由扭轉角θ可得到動力電機的扭矩值M。被測動力電機的扭矩和彈性聯軸器的扭轉角度呈線性關系[12]，令被測動力電機的扭矩

M=κθ

(1)

式中κ為彈性系數，θ為扭轉角度。

系統中彈性聯軸器的彈性系數是未知常量，需要對其進行測量與標定。由式(1)可知，通過確定M和θ就可以得到κ值。M和θ的確定可以采用兩種方法，方法一：給系統中的彈性聯軸器施加一個切向力矩M(方向為重力方向，力矩大小等于砝碼重量和桿長度的乘積)，再通過旋轉變壓器檢測θ值。方法二：借助精密扭矩傳感器確定被測動力電機的扭矩值M，再通過旋轉變壓器檢測θ值。

通過方法一或方法二進行多組多次測量M和θ的值，再采用最小二乘法便可以擬合出彈性系數κ的值[13]。如式(2)所示

∑θi∑θi)

(2)

確定κ值之后，就可以通過兩個旋轉變壓器檢測出彈性聯軸器的扭轉角θ求得被測動力電機的扭矩值M。

2硬件設計

為了能夠采集旋轉變壓器的角度信號、提高測試系統的實時性和可靠性，系統的硬件部分包括以下模塊：對數據具有高速處理功能的主控制器模塊；能夠給旋轉變壓器提供正弦波激勵信號和互補信號，并且可以將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉換成數字信號的解碼模塊；用于SRM電機控制和過流處理的電流檢測模塊。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2　系統硬件框圖Fig 2　Block diagram of system hardware

2.1主控制器模塊

為了提高系統的實時性和可靠性，采用FPGA和ARM作為系統的主控制器。FPGA實現的功能為：配置AD2S1210模塊，讀取并行位置解碼信號，驅動和控制被測動力電機，驅動反作用力負載電機并根據需要設置其負載大小，與ARM通信。ARM實現的功能為：接收FPGA中的扭矩數據，向FPGA發送命令信號，與上位機通信，電流檢測與顯示。

2.2AD2S1210解碼模塊

旋轉變壓器對其輸入信號有較高的要求，而且其輸出的模擬信號在受到外界干擾時不能被控制器直接使用，必須通過良好的信號接口電路處理。系統選用AD2S1210作為旋轉變壓器的數字轉換器，為了檢測彈性聯軸器的型變量，將AD2S1210配置為“普通模式—位置輸出”模式。為了提高系統的精度，數字信號輸出的分辨率設置為16bit，位置精度可以達到0.3′[14]。

2.3電流檢測模塊

在開關磁阻電機的控制過程中，為了避免過大的電流和磁鏈峰值，取得恒轉矩機械特性，采用電流斬波控制(CCC)方式進行控制。選用霍爾電流傳感器檢測開關磁阻電機的四相電流用于電機的控制。電流檢測模塊的整體結構如圖3所示。

圖3　電流檢測模塊Fig 3　Module of current detection

3軟件設計

系統軟件設計包括主控制器設計。ARM軟件設計在MDK—ARM平臺上進行，采用ARM官方固件函數庫與C語言進行程序設計。FPGA設計在QuartusII平臺上進行，采用VerilogHDL硬件描述語言進行數字系統硬件的結構和行為設計。其中數據采集流程如圖4所示，數據采集由FPGA完成，FPGA對兩個AD2S1210模塊進行復位與配置，實時采集兩個并行位置數據并處理。

圖4　數據采集流程Fig 4　Flow chart of data collection

SRM由FPGA進行控制，通過檢測電機的位置對ABCD四相進行控制。通過PID控制實現閉環控制，根據由位置信號轉換的實際轉速與給定轉速的比較，進行PID控制的輸出。FPGA實時采集SRM四相的電流，根據采集的電流值實現PWM的控制。SRM的控制框圖如圖5所示。

圖5　SRM控制框圖Fig 5　Block diagram of SRM control

4通信

本系統中采用SPI協議和基于RS—232的MODBUS協議。ARM和FPGA之間采用SPI協議進行通信，為了使通信速度達到最大，提高系統的實時性，系統采用了利用DMA的SPI通信。本測試系統與上位機的通信采用基于RS—232的MODBUS協議(RTU模式)，上位機顯示電機的實時扭矩值、轉速、位置及電流等參數，同時給測試系統發送啟/停、PWM占空比、正/反轉等控制信號。

5系統測試與分析

為了驗證系統的正確性和測量精度，驗證靜態扭矩時，按照JJG2047—2006《扭矩計量器具檢定系統表》規定，通過扭矩校準杠桿給系統施加確定的扭矩值(標準值)，再與系統實測的扭矩值做比較，測量值與標準值的最大示值誤差為0.35N·m，最大相對誤差為0.73 %，測試結果如表1所示。動態扭矩由精密動態扭矩裝置進行驗證，測量值與標準值的最大示值誤差為0.27N·m，動態扭矩最大相對誤差為0.68 %，測試結果如表2所示。測試結果表明本系統能夠滿足應用要求。

表1　靜態實驗數據

表2　動態實驗數據

6結束語

通過檢測彈性聯軸器形變量實現電機扭矩測量的方案可以很好地測量電機的動態和靜態扭矩，采用FPGA+ARM的控制架構提高了電機扭矩測試系統的實時性和可靠性。實驗結果表明：該系統能夠準確、穩定地測量電機的實時動態扭矩和靜態扭矩,且結構簡單、使用方便靈活，有較好的應用前景。

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Motortorquemeasurementsystembasedonelasticcouplingsdeformationdetection*

WUZhao-jian1,2，WUDing-xiang2,3,GONGJin-cheng4,ZHANGChun-xi1,2,TANGLi-jun1,2

(1.SchoolofPhysicsandElectronicSciences,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China;2.HunanProvinceHigherEducationKeyLaboratoryofModelingandMonitoringontheNear-EarthEletromagneticEnvironments,Changsha410114,China;3.ChangshaBillionSetElectricalTechnologyCoLtd,Changsha410000,China;4.ResearchInstituteofElectronicTechnologyofChangde,Changde415000,China)

Abstract:Aiming at problems of real-time measurement of dynamic and static torques of motor,use switched reluctance motor as research object,a measurement solution method for real-time measuring motor dynamic and static torques is proposed,and motor torque measurement system is designed.The principles of the program is that the deformation of elastic coupling is detected by two resolves when it is subjected to torque effect,and FPGA+ARM control architecture is designed，it can detect dynamic and static torques of the motor torque in real time and accurately.Static torque is test according to JJG 2047—2006 Verification Scheme of Measuring Instruments for Torque method,the maximum relative error of static torque is 0.73 %.Dynamic torque is validated by precise dynamic torque device,the maximum relative error of dynamic torque is 0.68 %.

Key words:elastic coupling;torque measurement;switched reluctance motor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0116—03

收稿日期：2016—03—07

*基金項目：湖南省科技重大專項項目(2013FJ1004—3)；湖南省教育廳重點項目(15K009)

中圖分類號:TP 212

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0116—03

作者簡介:

吳召劍(1990-)，男，四川內江人，碩士研究生，主要研究方向為信號檢測與處理。

唐立軍，通訊作者,E—mail:tanglj2000@263.net。