基于ZJ傳感器扭矩轉速測試系統的研究

郁信波，袁文明，馮 源，林福嚴

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

對傳動軸所輸入的扭矩進行測量和分析可以保證機械設備運轉安全、節能低耗，提高能源利用率。機械設備進行在線實時監測并將測試數據進行保存，在生產過程中對實時數據的分析可以對機械設備的運作情況有全方面的掌握，有效避免生產安全事故的發生。也可以在故障出現時，迅速找出設備故障原因，減少因故障引起的停機時間，從而提高生產效率和經濟效益。所以在科研和生產過程中，高精度、智能化的扭矩傳感器被廣泛開發并運用到傳動效率實驗和監測中。從而獲得大量的實驗數據，指導和幫助科研人員設計出質量好，可靠性強效率高的產品。國內外在扭矩傳感器及其測量方面做了大量的研究[1～4]。

1 測試系統的整體設計和原理

本次設計是針對ZJ 扭矩轉速傳感器，該傳感器是根據磁電轉換相位差原理設計的[5]。它是將扭矩轉速信號轉換成兩個具有一定相位差的電信號作為輸出，反應扭矩轉速的大小。系統設計框圖如圖1 所示。ZJ 傳感器輸出兩路電信號，信號1 和信號2 分別經過波形轉換電路，將正弦電信號轉換為方波輸出。并將方波輸出接入單片機中進行處理。整個控制部分的中心是單片機。當單片機收到上位機給的采集信號指令時，單片機將輸入電信號處理計算后通過通信系統傳送到PC 機。在PC 機上通過LabVIEW 進行數據的計算處理得出扭矩轉速值并顯示出波形。

圖1 扭矩測試系統框圖Fig.1 System block diagram of torque testing

設計的實現方法是首先將采集到的兩路正弦信號通過電壓比較器變換成矩形波，將矩形波輸入到單片機的外部中斷接口。在單片機中通過矩形波的上升沿控制計數器的開關情況，可以用單片機的內部計數器輸出兩個前后兩個上升沿之間的計數差值。具體波形變換和采集如圖2 所示。通過單片機的工作頻率和計數器所記數值即可計算出t1 和t2 的時長。其中t1 即為相位差值的時間，而T=t1+t2 即為整個相位差脈沖周期時間。相位差角通過公式△θ=t1×360°/T 計算得出。上位機通過modbus 協議讀取單片機中的數據，數據通過485 通信傳送到PC 機并進行數據整理和顯示。

圖2 波形變換和采集Fig.2 Waveform transformation and acquisition

2 數據采集模塊的硬件設計

2.1 硬件電路總體設計

硬件部分主要由信號變換、控制部分和通信部分組成。ZJ 傳感器的工作原理是基于電磁系感應和相位差值，故數據采集系統的主要任務就是測試兩個信號U1和U2 的相位差。兩個信號輸入到過零比較器MAX992中，輸出兩路矩形波信號，這兩路信號跟正選信號具有相同的相位差。將矩形波信號輸入到MSP430f149 單片機的外部中斷接口P1.1 和P1.2 上。通過上升沿觸發中斷開啟單片機計數器，測試上升沿之間的計數差值。數據經過單片機處理過后通過RS-485 通信傳輸到計算機完成計算和顯示。具體設計框架如圖3 所示。

圖3 硬件電路總體設計Fig.3 The overall design of hardware circuit

2.2 控制芯片硬件電路設計

圖4 MSP430F149 單片機硬件電路設計圖Fig.4 MSP430F149 Hardware circuit diagram

主控芯片MSP430F149 的硬件電路設計如圖4 所示。與單片機相連的主要有數據采集模塊和RS485 通信模塊。本身工作需要配備電源模塊、上電復位電路，為了使用方便和各個模塊時鐘穩定，單片機外接8MHz 晶振電路。數據采集模塊通過具有外部捕獲模式的端口P1.1 與P1.2 與單片機相連。RS485 通信接口定義在P3.7 接受數據端口和P3.6 發送數據端口，并通過P3.3 對通信芯片進行控制。

3 測試系統的軟件設計

3.1 MSP430F149 軟件設計

系統流程如圖5 所示。程序初始化后，開啟全局中斷，當外部中斷發生時，單片機采集實時數據并在單片機中進行簡單的技術處理，系統通信采用modbus 協議，當單片機收到上位機發來的數據讀取命令時將處理過的數據發送到上位機，上位機虛擬儀器把數據進行技術處理后通過顯示模塊顯示出來。

3.2 上位機軟件設計

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

數據采集電路通過RS485 通信和MODBUS 協議和上位機通信。本設計用LabVIEW 編寫了一數據接收軟件，可以通過modbus 協議和數據采集電路主控芯片進行通信，并且把讀取回來的數據進行計算，通過波形圖顯示出來。

測試軟件主要包含兩個部分：顯示前面板和程序框圖。前面板中可以直觀看出一些基本參數的設定和顯示。程序框圖中按照程序流程編輯程序，完成數據測試、處理和顯示的功能。測試程序框圖如圖6 所示。

圖6 測試程序框圖Fig.6 Test block diagram

在測試程序框圖中的扭矩運算公式說明如下：相位差式扭矩轉速傳感器的基本原理是：通過彈性軸、兩組磁電信號發生器，把被測轉矩、轉速轉換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉矩成正比。

實際上，在真正的扭矩傳感器中，很難精確測得兩信號之間的相位差角的變化值，總是直接測得兩信號之間的瞬時相位差角而間接得到相位差角的變化值。相位差角的初始值約為180°，當傳感器的扭矩增加到額定值時，相位差角的變化值大約為90°。那么，可以得到扭矩與相位差角之間的轉換公式：

式中：k—比例常數，針對實驗臺上安裝的ZJ 扭矩轉速傳感器其比例常數；Fs—扭矩轉速傳感器量程（N·m）；T1、T2—信號經過零檢測轉化成矩形波后，兩信號中相鄰兩上升沿之間的時間差值（s）；M0—初始扭矩，即在傳感器生產時就固有的初始相位角（約180°左右）所計算得到的扭矩（N·m）。

4 測試系統實驗和分析

為測試扭矩傳感變送系統的測試范圍，我們采用函數信號發生器與RC 延時電路組成新的測試電路來模擬兩路具有相位差的同頻正弦信號，并接入扭矩傳感變送系統中，調節函數信號發生器使其產生不同頻率的正弦波，可觀察PC 機上LabVIEW 程序輸出曲線發現，在120Hz～14kHz 的頻率范圍內正常工作。4kHz、14kHz、120Hz 的信號經扭矩傳感變送系統在LabVIEW 程序的輸出結果。圖7 所示是本系統在頻率14kHz 時測試得到的數據。

實驗結果表明，本系統能夠在不同頻率的信號下穩定工作。但各個頻率下的測試誤差存在較大差異，在120Hz～4kHz 頻率范圍內誤差為0.1%，而隨著信號頻率的增大誤差也逐漸增大。

圖7 頻率14kHz 時系統測試結果Fig.7 Test results of the system at 14kHz

另外，我們在CQJCZ－A 機械傳動性能實驗平臺上進行多次實驗，將我們的到的轉速扭矩數據與實驗平臺自帶軟件得到的數據進行了對比，如圖8 為ZJ－10 傳感器扭矩對比曲線。

比較兩條曲線，我們發現實驗平臺上的兩臺扭矩轉速傳感器的真實扭矩與通過扭矩變送系統測試得到扭矩值非常的貼近，同條件下，二者差值不超過0.1N·m。

圖8 ZJ-10 傳感器扭矩對比曲線Fig.8 Comparison curve on torque of ZJ-10 sensor

5 結論

本文設計了一種基于相位差式傳感器扭矩轉速測量系統,實現了對扭矩轉速的實時監測和顯示功能。基于扭矩轉速傳感變送系統的測量，脈沖計數等工作用軟件代替了傳統的硬件來完成，避免信號在硬件之間傳遞過程中的干擾，而且降低系統的成本。同時，軟件代替硬件之后，提高了測量系統的靈活性，可以根據測量要求設計相應的算法來處理數據。此外，數據采集模塊設計緊湊，體積尺寸小，方便連接和安裝，成本低。且不用裝入工控機，直接USB 連接一般PC 機即可采集數據，使用靈活性高。系統上位機軟件采用LabVIEW 程序編寫圖形化界面，數據處理方便顯示清晰，能顯示出扭矩轉速值隨時間的變化曲線，數據存儲和讀取方便，可以快捷的對比歷史數據，方便分析。

[1]葉劍林. 新型扭矩監測系統的研制[D]. 北京：北京科技大學，2001.

[2]文西芹，張永忠. 扭矩傳感器的現狀與發展趨勢[J].儀表技術與傳感器，2001，12.

[3]楊海馬.無線傳輸軋鋼機接軸扭矩傳感器的研究[D]. 河北：燕山大學，2004.

[4]谷金清.扭矩傳感器的無線數據采集系統的設計[D]. 河北工業大學，2005.

[5]石延平.一種新型磁電感應式動態非接觸扭矩傳感器[J].儀表技術與傳感器，2010，5.