一種轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邵帥

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

一種轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邵帥

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

角加速度是軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的受力情況有著重要的意義。簡(jiǎn)單介紹了一種轉(zhuǎn)軸角加速度的測(cè)量方法，詳細(xì)介紹了一種轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中的主要模塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過STM32芯片予以了實(shí)現(xiàn)。

角加速度；測(cè)量系統(tǒng)；STM32

轉(zhuǎn)動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)的重要方式之一，對(duì)其動(dòng)力的監(jiān)測(cè)與控制直接關(guān)系到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而角加速度則是動(dòng)力監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中一項(xiàng)重要參數(shù)，其對(duì)于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的受力情況有著重要的意義。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在汽車、軍事、機(jī)加工等領(lǐng)域中，對(duì)轉(zhuǎn)軸角加速度進(jìn)行測(cè)量與分析的要求越來越高，因此，一個(gè)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的角加速度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來說十分重要［1］。本文給出了一種可以對(duì)轉(zhuǎn)軸角加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該系統(tǒng)的核心模塊進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

1　轉(zhuǎn)軸角加速度的測(cè)量方法

轉(zhuǎn)軸角加速度的測(cè)量方法主要有兩種，直接測(cè)量法與間接測(cè)量法［2］。直接測(cè)量法是通過力傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的受力情況，從而得出轉(zhuǎn)軸的角加速度值，這種方法直接體現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸角加速度的變化情況，實(shí)時(shí)性較好，但對(duì)傳感器要求較高，且易受溫度影響；間接測(cè)量法是通過光電或磁電傳感器檢測(cè)出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，通過微分運(yùn)算計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的角加速度，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器要求較低、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，雖然其有實(shí)時(shí)性較差的缺點(diǎn)，但可以通過結(jié)構(gòu)與算法的優(yōu)化大幅提高實(shí)時(shí)精度［3，4］。

使用間接測(cè)量法測(cè)量轉(zhuǎn)軸角加速度可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［5］：

式中，

Ti為傳感器相鄰兩次的響應(yīng)時(shí)間；

Ti+1為下一時(shí)刻傳感器相鄰兩次的響應(yīng)時(shí)間；

θi與θi+1分別為Ti與Ti+1時(shí)間段內(nèi)促使傳感器產(chǎn)生兩次響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)夾角，如果通過機(jī)構(gòu)調(diào)整使θi與θi+1相等，則有θi+θi+1=θ，那么轉(zhuǎn)軸角加速度可以替換為：

式（2）中角加速度為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過2角度的平均角加速度，但實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)軸未必是勻加速或勻減速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要通過機(jī)構(gòu)優(yōu)化使θ盡量減小，近似達(dá)到微分的效果，這樣計(jì)算出的角加速度β可以近似看作即時(shí)角加速度，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2　轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)框圖

外部作用力作用在轉(zhuǎn)軸上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸與檢測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)情況由信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集和邏輯分析，轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)采集模塊不輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其輸出信號(hào)T為一路變頻脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理模塊，按照數(shù)學(xué)模型參與計(jì)算，最終由信號(hào)處理模塊輸出OUT信號(hào)，OUT信號(hào)即為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)。

2.1轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)圖

軸在外力作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)嵌入內(nèi)套的磁條轉(zhuǎn)動(dòng)，由霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)的變化頻率，通過邏輯電路對(duì)磁場(chǎng)變化的頻率進(jìn)行分析，輸出可參與后續(xù)計(jì)算的信號(hào)。如果需要提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要在內(nèi)套上均勻嵌入更多的磁條，也可改裝為齒部充磁的齒輪來實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的細(xì)分，但要注意磁條的密度不能超過霍爾傳感器的感應(yīng)范圍。

2.2信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)配合使用，用來檢測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況，同時(shí)進(jìn)行邏輯分析并輸出一路脈沖信號(hào)T，參與后續(xù)計(jì)算［6］。其電路如圖3所示。

圖3　信號(hào)采集模塊電路示意圖

圖3中，H1、H2為霍爾傳感器，觸發(fā)器芯片采用型號(hào)為TC7WH74FU的D觸發(fā)器，門電路芯片采用型號(hào)為MC74VHC1G08DFT1G的與門。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)并排設(shè)置的霍爾傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)的變化后會(huì)產(chǎn)生兩路有相位差的脈沖信號(hào)，這兩路脈沖信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)器與門電路的邏輯處理后，變?yōu)橐宦访}沖信號(hào)，此信號(hào)在軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，時(shí)序與霍爾傳感器輸出信號(hào)相同，在軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為一低電平信號(hào)。

2.3信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊框圖如圖4所示。

圖4　信號(hào)處理模塊框圖

信號(hào)處理模塊的中央處理單元采用Cortex-M3系列型號(hào)為STM32F103RC的處理芯片，該芯片是一款128k flash的低功耗、高性能的32位微處理芯片，完全可以滿足對(duì)角加速度數(shù)學(xué)模型的計(jì)算。由信號(hào)采集模塊生成的T信號(hào)經(jīng)過濾波電路濾掉雜波后，輸入中央處理單元，經(jīng)過計(jì)算后，生成一路數(shù)字信號(hào)，分別經(jīng)過串口通信單元傳輸給上位機(jī)和經(jīng)過信號(hào)輸出單元輸出OUT信號(hào)，OUT信號(hào)經(jīng)過信號(hào)反饋單元繼續(xù)傳輸給中央處理單元進(jìn)行比對(duì)計(jì)算和狀態(tài)分析，確定是加速或減速運(yùn)動(dòng)，最終形成一個(gè)閉環(huán)反饋回路。經(jīng)此信號(hào)處理模塊生成的OUT信號(hào)即為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，此信號(hào)精度較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

3　結(jié)束語

本系統(tǒng)采用間接測(cè)量法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成本較低，感應(yīng)部件采用磁電式傳感元件，抗干擾能力較強(qiáng)。對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況檢測(cè)機(jī)構(gòu)中使用磁性齒盤結(jié)構(gòu)可以很好的解決。因此，以此方法設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)量系統(tǒng)具有成本低廉，穩(wěn)定性較好，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的特點(diǎn)。

［1］邵雷，趙錦，趙宗寶，等．一種基于非線性跟蹤－微分器的角加速度估計(jì)方法［J］．飛行力學(xué)，2012，30（4）:341-342.

［2］周逸君，徐麗嬌，吉小軍.基于FPGA脈沖計(jì)數(shù)的瞬時(shí)角加速度測(cè)量系統(tǒng)［J］.中國(guó)機(jī)械工 程，2015，26（18）：2442-2447.

［3］張宇，閔子建，陳慶勇，等．磁旋轉(zhuǎn)編碼器在汽車測(cè)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2008，（9）:76-77.

［4］王立錦，劉亞東，焦讓，等．磁旋轉(zhuǎn)編碼器四倍頻電路分析與集成化設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2005，28（2）:358-359.

［5］任云鵬，胡天友，劉鑫．一種高精度轉(zhuǎn)軸角加速度的測(cè)量方法［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（17）:50-51.

［6］邵帥.基于邏輯電路的轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2016，（1）：124-125.

Design of Angular Acceleration Measurement System

SHAO Shuai
（Tianjin Mechanical and Electrical Professional Technology Institute，Tianjin 300350，China）

In this paper，the angular acceleration measurement system that can monitor the rotation of axle is mentioned.A measurement way of angular acceleration is introduced.A design way of angular acceleration measurement system is discussed in detail.The system is achieved by STM32.

angular acceleration；measurement system；STM32

TH824

A

1672-545X（2016）07-0182-03

2016-04-26

邵帥（1980-），男，天津人，講師，碩士，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)。