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1、现代计量测试1997年第6期X动态转矩测量技术的研究张凤生师忠秀徐志良张光辉(青岛大学,青岛266071)(重庆大学)摘要: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,研制了一套新型动态转矩测量系统。与现有的转矩测量仪器相比,该系统的测量受传动系统转速波动的影响很小,具有更高的测量精度、灵敏度和抗干扰性能。关键词:转矩测量技术,磁栅,相位差检测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$Tmax、基波及各次谐波频率fi、振幅Ti;②过渡转矩:反映传动系
2、统工作状况转换时的转矩变化过程,其特征参数有最大转矩值Tmax、最小转矩值Tmin和转矩变化率$Tö$t;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。本文的研究工作即是针对如何准确地测定转矩随时间的变化历程T(t)。一、系统构成与测量原理11系统构成如图1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0161°;磁栅外
3、径D=120mm。磁栅1上有双磁道É和Ê,磁栅2上有单磁道Ë。磁道É和Ë上所录的波数Z1=1200个波ö周,磁道Ê上所录的波数Z2=3000个波ö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1系统构成简图21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É、Ë上的录磁波数Z1=1200,这是为了保证拾磁信号的质量。若不
4、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X国家自然科学基金资助项目。10矩范围内,会造成S1和S2之间发生2P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H(t)的变
5、化,T(t)和H(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(Z1öK1)次ö转。设对H(t)的第i次采样测量结果为H(i),理论上,T(t)的采样结果T(i)和H(i)之间有如下关系4T(i)=[PGdö(32L)]õH(i)õK1öZ1(1)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H(i)。二、相位差H(i)的测量H(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H(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
6、弦信号S3和S4产生。同时,S3和S4也用于判向。11基于S3和S4的辅助测量脉冲与判向调整磁头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,Pö6,2Pö6,3Pö6,4Pö6,5Pö6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(Pö3),F(2Pö3);F(Pö6),F(3Pö6),F(5Pö6)。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2(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
7、设当扭轴正向旋转时,S3超前S490°,则有C超前D90°。而当扭轴反向旋转时,S3滞后S490°,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图2辅助测量及判向脉冲P+、P-的形成于图2(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:{q{qP+=C1D+C2D+D1C+D2CP-=C1D+C2D+D1C+D2C当扭轴正向旋转(即方波C超前D90°)时,P+处有负脉冲输出;当扭轴反向旋
