嵌入式转矩转速测试系统的设计与实现.pdf
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1、机械动力设备的转矩转速变化能反映其运行状况的重要信息,文中介绍了安装在恶劣环境中的风扇,测量其在高速旋转过程中风扇驱动轴的转矩转速。详细介绍了传感器安装设计和测试系统电路的设计;传感器安装设计为了节省设备安装空间,将应变片焊接在花键盘的三根辐条上;测试系统为了避免电磁兼容方面的影响,通过 MCU作为支撑电路母板,放大并经综合处理后的扭矩数据通过光通信发送电路以光脉冲的形式发出,由光通信接收电路进行接收;将电路板设计成对应的扇形状和环状,美观的同时可以与空间进行适配。经过测试,该测试系统转矩测量误差不大于1%FS,转速测量误差不大于1脉冲,说明该测试系统功能完善可靠,满足了测试的指标要求和实际工
2、程的需要。关键词:转矩转速;应变片;MCU;光通信中图分类号:TN97文献标识码:A文章编号:1674-6236(2023)16-0031-06DOI:10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.007Design and implementation of embedded torque speed test systemWANG Huimin1,LI Yonghong1,YUE Fengying2,ZHANG Lun3(1.School of Instrumentation and Electronics,North University of China,Taiyu
3、an 030051,China;2.School of Electrical and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.School of Information and Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)Abstract:For mechanical power equipment torque speed changes is an important information
4、of itsoperating conditions,the article introduces the fan installed in a harsh environment,measure the torquespeed of the fan drive shaft during highspeed rotation.Detailed description of the sensor installationdesign and the design of the test system circuit;In order to save equipment installation
5、space,the sensorinstallation design is welded on the three spokes of the flower keyboard;the test system is designed toavoid the impact of electromagnetic compatibility,through the MCU as the support circuit motherboard,amplified and comprehensively processed the torque data is sent through the opti
6、cal communicationtransmission circuit in the form of optical pulses,and received by the optical communication receivingcircuit;the circuit board is designed to be the corresponding fan shape and ring,aesthetically pleasingand adaptable to space.After testing,the torque measurement error of the test
7、system is not more than 1%FS,and the speed measurement error is not more than 1 pulse.It shows that the test system iscomplete and reliable,and meets the requirements of the test indicators and the needs of the actualproject.Keywords:torque speed;strain gauge;MCU;optical communication-31电子设计工程 2023年
8、第16期转矩转速测试的准确度和便利性在一些机械动力设备的生产评价过程中占据了重要地位1。在一些测试中,台架测试为主流的测试方法,即在国标要求下,先将测试设备置于一定的工作条件下,比如相应的负载、转速、温度、湿度等,再通过各种技术手段采集各项工作参数。其中包括电参量和非电参量,电参量主要包括电压、功率、效率等,可以通过一定的调理电路来获得。而非电参量包括转矩和转速信号,一般通过传感器来获得2-6。该文转速的测量采用光电对射式传感器。它的主要优点有检测精度高、稳定性好、抗干扰性强,在连续的测量过程中,不需要再次调零,可以高转速长时间运行。与此同时,它输出的高电平频率信号可直接发送给PC机处理,可以
9、较好地满足需求7-13。现今的测试系统有很多缺陷,大多数测试系统会受到电磁兼容方面的影响,导致测试设备的性能下降,无法工作的情况也时有发生,严重的可造成质量事故和设备损害以及其他无法估量的损失。其次,某些高速旋转的特殊设备,由于安装空间的限制,裸露的安装部分很小,难以采用常规在轴上粘贴应变片的方法来测试14-16。因此,就以上问题,研制了一套嵌入式转矩转速测试系统,由于电磁兼容方面的限制,采用特殊的供电和信号引出方式,比如采用光电池供电和信号的光传输。1传感器安装方案设计风扇驱动轴为高速旋转部件,且测试设备安装空间有限。从装配图上可看出,驱动轴裸露的部分很短,难以采用常规在轴上粘贴应变片的测试
10、方法。因此可考虑在连接驱动轴与叶轮盘的花键盘上进行处理。花键盘套接于驱动轴端,靠花键与驱动轴啮合;叶轮盘再平放于花键盘上,靠六个螺孔固定。如果花键盘不做加工,直接在其表面粘贴或焊接应变片,由于花键盘可认为是一个圆柱体,其扭转带来的形变会非常小,由此带来的后果是放大电路的放大倍数非常大,噪声也会在放大过程中被放大到非常大,这样输出信号的质量较差。而且某个螺栓孔安装时稍微错位就会造成花键盘表面产生附加的应力,这些都是影响应变片的粘贴位置和测试结果的不确定因素。花键盘俯视图如图 1所示。叶轮盘与花键盘连接的六个螺孔在同一环上,环再通过三根辐条与花键盘轴套相接,将应变片焊接于三根辐条上,由于辐条较细,
11、相同扭矩的条件下能产生较大的形变,同时测量三根辐条的形变,然后综合处理成扭矩信号,因此排除了叶轮盘安装时因不均匀性造成的影响。图1花键盘俯视图2测试模块设计2.1测试模块总体设计测试模块总体结构中,将应变片、信号放大部分、信号处理部分、微控制器、光通信发送部分、光电池及电源调整电路一起安装于花键盘上,随叶轮盘一起转动,构成整个测试系统的旋转部分。放大并经综合处理后的扭矩数据通过光通信发送电路以光脉冲的形式发出,由固定于轴承座上的固定部分光通信接收电路进行接收。同时固定部分的供电光源持续照射旋转部分的光电池以实现对旋转部分进行无线供电。测量转速时,由安装于固定部分的转速传感器配合旋转部分预加工好
12、的齿盘进行转速测量。测试系统整体结构如图 2所示。图2测试系统整体结构图-322.2旋转部分设计2.2.1应变片的选择由于风扇安装位置所处的环境较恶劣,机械振动大,且要求测试时能长时间运行,常规的粘贴式应变片的可靠性不够,一旦运行过程中出现应变片脱落的情况,更换处理麻烦,因此优先选择可焊接安装的应变片。考虑到应变片的贴装位置在辐条上,主应力方向明确,因此选择单轴式的应变片即可。为降低系统功耗和提高测试的动态范围,应尽量选择阻值较高的应变片。应变片在辐条侧面贴装时采用差动贴装的方式,实际的应变片外观和贴装位置如图3所示。图3应变片实物外形贴装图图 3 只显示了一根辐条的贴装位置,其余两根辐条上应
13、变片的贴装方式与图3相同。2.2.2放大电路的设计将图 3等效为悬臂梁,应变片 Rg1和 Rg2分别贴装在梁受力的两个表面,这样,当辐条受单向弯矩作用时,Rg1与Rg2其中一个受力拉伸,另一个受力压缩,由Rg1与Rg2加上两个阻值为350 的精密电阻组成桥式电路如图4所示。图4应力测量电桥在电桥上施加固定电压 E,应变片 Rg1与 Rg2未受力变形时,其阻值为 350,与 R 相等,构成等臂电桥,e0输出为 0 V;当 Rg1与 Rg2其中一个受力拉伸,另一个受力压缩时,电阻一个增大,另一个减少,构成差动电桥,其输出为:e0=E2KS0(1)式中,KS为应变片的灵敏系数,该应变片的灵敏系数在
14、1.82.2之间,可取为 2;若选取 E=4.096 V,按最大形变计算,则当0=3 000 时,电桥最大输出电压 e0=12.288 mV。后续信号处理电路部分可按照此最大输出电压来选择信号放大倍数。2.2.3信号处理电路的设计信号处理电路负责将前述应变电桥输出信号加以放大,然后进行A/D转换变成数字量,送入后续信号输出接口进行处理,如图5所示。由应变电桥送来的微小信号首先通过仪表放大器进行放大,仪表放大器选用MAXIM公司的电阻编程可调增益放大器 MAX4194,其放大倍数 G 由外接电阻RG调节:G=1+50 k/RG(2)应变电桥最大输出电压e0=12.288 mV,若将其放大为 4.
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