基于重載復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩檢測(cè)方法研究

龍澤明， 張紅巖， 張保軍， 李昊宇， 關(guān)寶金

（佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

扭矩的測(cè)量分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)煞N，包括對(duì)扭力軸扭矩和多種傳動(dòng)裝置中旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)試，是機(jī)械量中的一個(gè)重要參數(shù)。隨著各種系統(tǒng)的智能程度和復(fù)雜性的提高，需要獲取的數(shù)據(jù)和信息越來越多，對(duì)扭矩傳感器的可靠性、精度和響應(yīng)速度也提出了越來越高的要求［1］。本文介紹的復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)伺服電機(jī)的扭矩變化，通過扭矩信號(hào)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換讓液壓伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的位置跟蹤和扭矩卸荷。為此，本文設(shè)計(jì)完成了扭矩傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并實(shí)際應(yīng)用到復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

1 關(guān)于重載復(fù)合驅(qū)動(dòng)

重載復(fù)合驅(qū)動(dòng)是利用伺服電機(jī)的高精準(zhǔn)度及液壓系統(tǒng)的較大負(fù)載能力，結(jié)合各自系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，利用液壓馬達(dá)通過扭矩跟蹤平衡關(guān)節(jié)臂載荷，在轉(zhuǎn)角位置上隨動(dòng)跟蹤伺服電機(jī)，保證關(guān)節(jié)臂同步跟蹤伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的精準(zhǔn)定位與大負(fù)載驅(qū)動(dòng)。同時(shí)將驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的伺服電機(jī)的定位功能與承載功能部分地分離，輔助以液壓系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)，大幅度地提高機(jī)械臂的承載能力，并且使關(guān)節(jié)臂在重載荷條件下保持高的定位精度。原理如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理：伺服電機(jī)產(chǎn)生的扭矩經(jīng)過扭矩傳感器接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過反向放大器和運(yùn)算放大器調(diào)理放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)化器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這些信號(hào)一方面通過串口通訊電路數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過控制算法處理后，利用DA轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)比例控制閥，送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，得到正確的扭矩?cái)?shù)據(jù)，顯示在上位機(jī)檢測(cè)軟件；另一方面這些控制液壓系統(tǒng)的有效控制，使之跟隨伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓與伺服電機(jī)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)。

圖1 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

扭矩測(cè)量系統(tǒng)由4部分組成：1）旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩測(cè)量裝置；2）串口通訊電路和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置；3）數(shù)據(jù)接收、處理、顯示裝置；4）測(cè)量電路的感應(yīng)供電裝置。系統(tǒng)電路包括電源電路、放大電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)主題電路、RS232串口通訊電路。系統(tǒng)的器件選擇如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)，選用了ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)；A/D、D/A轉(zhuǎn)換，分別采用了8位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器和8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。本文重點(diǎn)介紹在復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩傳感器中的接收部分，其他功能不予討論。

2.1 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于ADC0809的模擬輸入電壓范圍為0～+5 V，故其轉(zhuǎn)化的電壓不能超過0～+5 V。而在大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用中，尤其是電機(jī)，往往涉及到正反轉(zhuǎn)的問題，這時(shí)的電壓范圍一般都要超出這個(gè)區(qū)間，例如在-5 V～+5 V。此時(shí)ADC0809不能直接對(duì)輸入的模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)化電路，將檢測(cè)到的電壓轉(zhuǎn)化到適合的區(qū)間（0～+5 V），以滿足ADC0809正常的工作。以-5 V～+5 V為例，通過圖2所示電路可將其轉(zhuǎn)化到0～+5 V。

轉(zhuǎn)換公式：

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

由于受到器件精度的影響，實(shí)際的信號(hào)電壓并不能很嚴(yán)格的從-5～+5 V轉(zhuǎn)變到0～+5 V。系統(tǒng)在工作的時(shí)候，由于外界的不確定干擾因素存在，信號(hào)電壓會(huì)有一定的波動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)換后的電壓受到波動(dòng)后，有可能會(huì)小于0 V或者大于5 V，導(dǎo)致單片機(jī)無法接收到信號(hào)，從而發(fā)生系統(tǒng)失靈的現(xiàn)象，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。為此，可以通過軟件的方法來避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。具體的操作如下：將轉(zhuǎn)換電壓抬高，乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)就是放大或者縮小的倍數(shù)，然后使轉(zhuǎn)換電壓整體同時(shí)縮小。用軟件的方法將-5～+5 V轉(zhuǎn)變到0.5～+4.5 V，在后續(xù)軟件編程中處理之后將其補(bǔ)償回來，保證它完全在0～5 V之間。這樣，即使有外界干擾或者元器件的誤差，也不會(huì)超過AD的測(cè)量范圍。

2.2 AD0809與單片機(jī)的接口電路

Protues軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件，是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。由于ADC0809轉(zhuǎn)換速度大約為每次10 ms，故不需要使用采樣保持電路。該扭矩測(cè)量系統(tǒng)可以輸入8路模擬信號(hào)，在實(shí)際工作過程中可根據(jù)需要添加一路或者多路。

一般情況下，在ADC0809工作時(shí)，需要為其提供CLK脈沖，往往都要用D觸發(fā)器對(duì)ALE分頻來提供CLK；為了較少地使用外圍硬件則采用了單片機(jī)定時(shí)器中斷來輸出脈沖，省掉了硬件D觸發(fā)器。其實(shí)，用定時(shí)器是很浪費(fèi)的，完全使用軟件也可以達(dá)到輸出周期性脈沖的目的。在單片機(jī)軟件中，基本上都要編寫延時(shí)函數(shù)。在延時(shí)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)輸出CLK脈沖，既不用外接硬件，也不占用單片機(jī)本身的硬件資源，同樣達(dá)到了延時(shí)目的。主要程序如下：

void delay(unsigned int z) //延時(shí)函數(shù)

{unsigned int x,y;

for(x=z;x＞0;x--)for(y=110;y＞0;y--)

CLK=～CLK; //在延時(shí)函數(shù)中，

給ADC0809送去CLK

}

通常扭矩傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)會(huì)有輕微波動(dòng)以及不穩(wěn)定的因素，這些都可能導(dǎo)致測(cè)量轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差偏大，因此信號(hào)與AD之間應(yīng)該加整流濾波電路來減小誤差。

2.3 功能測(cè)試及檢測(cè)結(jié)果

利用上述扭矩傳感器檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的扭矩信號(hào)進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換公式（1）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示（負(fù)號(hào)代表電機(jī)反轉(zhuǎn)）。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的扭矩檢測(cè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)復(fù)合驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試，完全可以滿足試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于精度和響應(yīng)速度的要求。該扭矩測(cè)量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本較低，結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣，響應(yīng)速度和精度完全可以滿足一般的工業(yè)控制的需要。由于硬件本身的限制，對(duì)于精度和響應(yīng)速度要求較高的場(chǎng)合，需要更換速度和精度更高的轉(zhuǎn)換芯片，才能滿足要求。

［1］ 朱春梅，王朝霞.基于單片機(jī)的扭矩測(cè)量技術(shù)研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008（9）：47-48.