單芯片全數字處理交流采樣電動定扭矩扳手研究

孟朝暉 楊立春 張 青

（山東中興電動工具有限公司，山東 濟南 250100）

現代大型橋梁一般采用鋼結構，通過高強度螺栓組將多個鋼結構進行連接，組成整個橋梁，高強度螺栓扭緊后，螺栓軸向產生很大的擰緊預拉力，軸向的預拉力乘以鋼結構間的摩擦系數可以獲得巨大的摩擦力，鋼結構通過摩擦力永久連接在一起。高強度螺栓施工普遍使用電動定扭矩扳手，通過對扭矩的精確控制進而獲得精確的軸向預拉力。電動定扭矩扳手使用串激式交流電機作為動力，通過多級機械行星齒輪減速獲得大扭矩。串激電機的輸出扭矩與輸入電流呈現近似的線性關系，通過測量電流可以實現扭矩控制的目的。電流控制型電動定扭矩扳手基于該原理實現扭矩控制。扭矩控制的精確度，取決于電流控制的精確程度，在實際工程中施工現場的電壓是不斷變化的，因此精確地采集電機的電流并對電壓變化進行跟蹤補償，是實現高精度扭矩控制的先決條件。

1 現有電動定扭矩扳手存在的問題

電動定扭矩扳手用于高強度螺栓扭緊已有多年的歷史，通過對當前市場上多款傳統的定扭矩扳手進行分析，發現其存在以下共性不足。

傳統的定扭矩扳手只對電流環節進行了處理，未考慮電壓變化對扭矩精度的影響，現場電壓波動大時，扭矩變化大。電流信號經整流濾波后轉換為直流信號進入AD 處理，屬于“直流采樣”方式，整流二極管的非線性和大時間常數RC 濾波電路導致采樣線性差、誤差大、易漂移，實時性差。扳手在施工中出現堵轉、卡死等故障時反應速度慢，容易發生電機及機械部分損壞。缺少數字顯示界面，扳手設置及工作過程狀態顯示不直觀方便，硬件電路復雜、體積大、故障點多、調試復雜。

2 對傳統電動定扭矩扳手的改進

傳統工具存在很多不足，無法實現精確穩定可靠的扭矩控制。亟需研發一種新型的具有高精度、高可靠性、免維護、長壽命、使用直觀方便的小型化新型電動扳手。該研究應用數字信號處理技術和新型國產集成電路研制出一款全新概念的單芯片全數字處理交流采樣電動定扭矩扳手。針對上述問題，該研究提出了相應的解決方案：增加了電壓采集回路，對輸入電壓進行了實時采樣監控，應用“交流采樣”技術，對電流電壓信號進行高速、高精度采樣和全數字處理，大幅度提高采樣精度和線性度，同時抑制了各種漂移，在故障時高速采樣對電機及機械部分的保護更加迅速可靠。加入了LCD 顯示和鍵盤設置，使扳手直觀易用。這些功能依靠“中國芯”單芯片實現，電路運行簡單、穩定、可靠。

全數字處理交流采樣是指電流電壓信號經過互感器進行隔離和降低幅值后，不再進行整流、積分濾波，直接將交流模擬信號送至高精度A/D 進行高速數字采樣，再通過離散數字積分算法直接得到電流、電壓的有效值（RMS）。

全數字處理交流采樣的特點如下。1）一個正弦交流周期內采樣點數多，可達128 點，即50Hz × 128=6400Hz，AD 使用6.4kHz 的速率對電流、電壓信號進行高速采樣處理，提高了精度和穩定性，減少系統誤差。2）高速采樣提高故障電流、電壓反應速度，采樣過程中出現過流、過壓故障時，可在下個交流周期的過零點及時關斷可控硅，使電機及機械部分得到及時保護。3）全數字處理交流采樣，通過數字信號處理技術可同時計算出電流、電壓、功率多種電氣參數，為達到多種控制方式提供了基礎的數據支持。

全數字處理交流采樣在電動定扭矩工具行業未被應用的原因在于傳統的交流采集算法在單片機上實現算法復雜計算量大；單片機片內置AD 精度低，一般≤12bit；調理電路復雜，電壓、電流電路使用多片集成電路才能實現。隨著國內集成電路技術的發展，許多集成電路設計公司，推出了高集成度的交流采樣芯片，可以方便地實現電壓、電流交流采樣功能。該文采用了電力行業上獲得大規模應用的“單片集成電路智能電能表芯片”，對電流電壓信號進行交流采樣，經數字信號處理直接獲得電流、電壓的有效值和功率值，可以對定扭矩扳手進行電流控制方式或功率控制方式的扭緊，提高了控制的精度和穩定性，以及控制方式的靈活性。

3 “中國芯”電能表計量芯片HT5029

該文提出全數字處理交流采樣電動定扭矩扳手，其核心電路采用了上海鉅泉光電科技股份有限公司出品的“中國芯”芯片《HT5029 電能表計量芯片》，HT5029 廣泛應用于我國的智能電表領域，是經過了大規模市場應用考驗的成熟芯片，該芯片配合簡單的外圍電路可以方便地實現電動定扭矩扳手的高精度、高可靠性控制。這是一顆低功耗、高性能、多功能的單相電能計量 SoC 芯片，為單相多功能電能表提供高集成的單芯片解決方案。

芯片具有以下特點：HT5029 是一顆低功耗、高性能的單相電能計量SoC 芯片，片內集成 32 bit ARM 內核、256K flash、32K SRAM、硬件 EMU 模塊、帶有溫度自補償功能的高精度ADC 模塊，以及 LCD 驅動等功能，HT5029芯片由2 個單元構成，作為CPU 的ARM 架構的cortexM0單元和電能量處理單元（EMU）。

3.1 EMU單元構成

交流采樣部分使用HT5029 片內的電能計量單元（EMU），包括三路可編程增益放大器（PGA）完成輸入差分信號的幅度放大，完全獨立的3 路24Bit Σ-ΔADC 對放大后的電流信號和電壓信號進行采樣，經FIR 數字低通濾波和數字積分式有效值RMS 處理后直接輸出電壓有效值、電流有效值及頻率值、電壓過零點檢測中斷信號。所有這些數字運算由EMU 電路硬件直接完成，避免了CPU 大量的數字信號處理運算工作。

3.2 ARM單元構成

Cortex-M0 處理器基于一個高集成度、低功耗的32 位處理器內核，采用3 級流水線馮·諾伊曼結構（Von Neumann architecture）。通過簡單且功能強大的指令集以及全面優化的設計，Cortex-M0 處理器可實現極高的能效。Cortex-M0處理器采用 ARMv6-M 結構，基于16bits 的Thumb 指令集，同時也支持Thumb-2 指令集，當一個操作可以使用一條 32bits 指令完成時，就使用 32bits 的指令，以加快運行速度；當一次操作只需要一條16bits 指令完成時，就使用16bits 的指令，節約存儲空間。這種方式提供了一個現代32 位結構所希望的出色性能，代碼密度比其他8 位和16位微控制器都要高。

由上文可知，HT5029 智能電表芯片具備優異的性能，被廣泛地應用于我國智能電表行業。應用這款芯片進行定扭矩扳手控制可以簡化工具控制電路的設計，將原來的CPU 電路、電流電壓前向調理通道電路、高精度ADC 電路、電壓過零點生成電路、LCD 驅動電路等很多電路才能實現的控制器集成為單芯片，同時可以獲得傳統控制電路無法實現的高精度、高性能以及電路的小型化，是應用先進智能電表芯片對傳統工具進行性能提升的首次有益嘗試。

4 單芯片全數字處理交流采樣電動定扭矩扳手實現電路

單芯片全數字處理交流采樣數顯定扭矩扳手控制器實現的全部電路如圖1 所示。

控制器電路采用HT5029 單芯片電量采集計量電路為核心構成，分為EMU 模擬單元與ARM 數字單元2 個部分。模擬電路完成電流電壓信號的采樣處理，數字部分完成顯示、設置、SSR 觸發調速等功能，整個系統由HT5029 單芯片和簡單的外圍電路構成。

4.1 EMU模擬電路部分

定扭矩扳手的電流、電壓信號的采樣、濾波、放大及AD 轉換由芯片中的EMU 和簡單的外圍輔助電路完成。

電流采樣通道：電機的電流經10A/5mA 電流互感器CT 進行隔離與降幅，通過I/V 轉換電阻R（10R）將電流轉換為電壓信號，經由R、R（1K2）、C、C（33nF）構成的抗混疊濾波器，接入HT5029 的V1P、V1N 的差分電流輸入端，由芯片內部的可編程增益放大器（PGA）對電流差分信號進行幅度放大，經24Bit Σ-ΔADC 對放大后的信號進行模數轉換，轉換后的數字信號經FIR 數字低通濾波和數字積分器，經過數字積分和開平方運算后得到電流的均方根值（RMS）。

電壓采樣及過零點檢測通道：220V 交流電電壓由AC_L、AC_N 端輸入，經R～R（390K）串聯后與R（1K2）構成的電阻分壓網路進行降壓，R（1K2）、C（33nF）為電壓通道的抗混疊濾波器，降壓濾波后的電壓信號接入V3P電壓采樣通道對輸入電壓采樣，具體處理流程與電流通道一致。同時芯片內置了過零點檢測電路，可以獲得電壓的過零點信號，該過零點信號用于SSR 固態繼電器的觸發，在軟件的配合下可以方便地實現電機開關與調速功能。

芯片的EMU 在完成電流電壓RMS 計算后，通過數字移相和乘法器，還可以獲得視在功率、有功功率等電量信息，這些信息被保存在寄存器中，并且實時刷新。

4.2 ARM-CPU部分

在HT5029 芯片內部，EMU 單元通過AHB-LITE 總線與ARM-CPU 連接，ARM 通過寄存器訪問獲得電流、電壓、功率等信息，交流電壓過零點以中斷方式提供。HT5029 芯片具有眾多的GPIO，同時還集成了LCD 驅動單元，可以方便的驅動段位式LCD，整個電路非常簡潔。

如圖所示：32768Hz晶振為HT5029提供時鐘信號。SEG0-SEG15 為LCD 模塊的段驅動，COM0-COM3 為LCD 模塊的位驅動，可驅動4×8 段的LCD 顯示器。扳手的工作狀態由LEDG、LEDR 紅綠色發光二極管顯示；Key 為扳手手柄上的啟動開關；AN1-3 為軟鍵盤用于設置扭矩等參數；SSR 管腳連接固態繼電器；這些電路均接入HT5029 的GPIO。SWCLK、SWDIO 為ARM 的通用兩線調試接口，通過該接口可以方便的下載與調試程序，RX0、TX0 為串行通信接口，用于系統調試信息輸出或功能擴展。

SSR 為固態繼電器，內部集成了雙向可控硅及光電隔離觸發電路，具有全密封體積小的優點，考慮到需要調速，應該使用隨機觸發式SSR。電機、SSR 與電流互感器初級串聯后接入交流220V，實現串激式電機的調速驅動控制。電源可直接采用成品的AC-DC 電源模塊。由圖1 可見相對傳統的定扭矩扳手電路，在完成同樣功能的情況下該方案的硬件電路實現了“極簡”，這得益于智能電表芯片的使用。

圖1 單芯片全數字處理交流采樣數顯定扭矩扳手控制器電路

4.3 該裝置的工作流程

按下扳手啟動開關，程序通過連續的寄存器訪問獲得電流、電壓的實時RMS 值，并將扳手當前設定的扭矩值換算為對應的控制電流值，當實時RMS 電流值大于控制電流值時，視為到達設定扭矩，關閉電機完成扭緊。SSR 管腳用于驅動固態繼電器SSR，CPU 根據電壓過零點中斷信號配合內部定時器形成可控硅觸發信號，在扳手緩啟動過程中，逐漸增大可控硅導通角，約3s 升至正常轉速，實現扳手的緩啟動。LCD 實時顯示扳手工作狀態包括扭緊完成情況、過流報警、電機斷線報警、過壓、欠壓報警，以及當前工作狀態包括輕載工作、負載工作。正常扭緊完成后，綠色LED 閃亮指示正常，異常時紅色LED 閃亮。

4.4 電壓、電流異常處理

當電源電壓在220V±20%（176V～264V）時，視為電源電壓正常，扳手可以工作；電源電壓小于176V 時為欠壓狀態；大于265V 時為過壓狀態。為了保護扳手，電源過壓欠壓時扳手停止工作，紅色LED 閃亮，并在LCD 上顯示對應報警信息。當扭矩小于預設的扭矩值20%時顯示輕載工作，大于時顯示負載工作。當電機工作時未能檢測到設定扭矩對應電流的5%時，判斷為電機斷線，檢測到設定扭矩對應電流的200%時，判斷為電機短路，并在LCD 顯示。

4.5 溫度補償與軸力修正

芯片集成了高精度溫度傳感器 TPS：在-40 ℃～+85℃，溫度傳感器一致性優于±0.5℃。利用該溫度信息可以對片內的3 路ADC 進行自動溫度補償，保證了工具在整個溫度范圍內的精度。實際施工中室外鋼結構的溫度隨環境溫度變化，在夏季施工與冬季施工時存在較大的溫差，導致了冬夏兩季鋼結構的摩擦系數不同，同樣扭矩施工時產生的軸力有較大差異，使用該溫度傳感器獲得的溫度信息，可以通過對扭矩進行修正來保證不同溫度下螺栓軸力的一致性。

5 結語

該文對電動定扭矩扳手控制中的電流、電壓、交流采樣和數字信號處理技術進行了研究，使采樣控制精度大幅度提高，高速采樣對故障電流的反應更加迅速靈敏，在出現過流故障時，可在下個過零點及時關斷電機，保護更加可靠，防止了電機及機械部分的損壞，全面顯示了扳手的工作狀態和故障信息，令使用更加易懂。采用了“中國芯”單芯片智能電表芯片，簡化了軟硬件設計，在完成工具高精度扭矩控制的基礎上，做到了電路的“極簡”和小型化、實現了工具的高可靠性、低故障率、長壽命。在對電壓波動比較大的工作現場，可以使用對電壓的變化進行補償的恒功率控制方法進行控制，增強了扳手的電壓適用性，是一款全新設計概念的電動定扭矩扳手，在現場使用中取得了良好的效果。