相敏電子式交流感應電機力矩測控技術研究

羅德虎 冉啟武 鄭丁陽

（陜西理工大學電氣工程學院，陜西漢中 723001）

0 引言

諸多電動設備如電動執行器、電動工具等，需要對輸出的推、拉力或轉動力矩進行控制。傳統方案采取彈簧形變、力敏傳感器等實現力矩測控。機械式力矩控制的精度一般為10%～25%，雖然成本低，但受彈簧材料材質、套件加工精度、裝配等因素影響較大，且長期穩定性差，不能用作精確檢測。采用應變片力敏傳感器檢測負載力矩實現力矩控制的精度比機械式力矩控制的精度高，為8%～10%，但力敏傳感器的輸出信號較微弱，檢測電路易受干擾，不適用于在電磁場強度高、振動大的環境中工作的設備。而采用檢測電機的輸出力矩實現對電動設備的力矩控制，精度可達5%～8%，檢測電機的力矩在減速傳動機構出現故障時，仍能正常檢測到電機的輸出力矩變化，優于以上兩種力矩控制技術。

原有的電機力矩檢測技術用電流、電壓互感器采集電機的電流、電壓信號，經過放大產生與電機電流、電壓幅值成正比的信號，用整形電路得到電壓、電流上升過零時的脈沖信號，用電壓脈沖上升沿啟動定時器計數，電流脈沖上升沿停止計數。將電壓、電流的幅值信號經過A/D轉換送進單片機，然后用單片機計算出電機的實時力矩值。這種技術的電路較復雜，元器件數量多，因此穩定性與可靠性相對較差。對于一些結構緊湊的設備，如精巧型的電動執行器，電子艙體積有限，根本裝不下這些電子元件。

為了克服以上缺點，本文提出了相敏電子式力矩檢測技術，該技術的電路結構簡單，成本低，穩定性與可靠性也遠高于現有技術。下文首先介紹該技術的原理，其次進行各個信號檢測電路和力矩控制電路的設計，最后展示了三相電機的信號采樣示意圖。理論研究表明，所提方法可以方便準確地檢測電動機力矩，精度也滿足實際應用場景要求。

1 相敏電子式力矩檢測技術

由于電動設備輸出力矩源于電機的電磁力矩，且完全成正比，因此檢測和控制電機的輸出力矩，即可實現對電動設備的輸出力矩控制。交流感應式電機的輸出力矩公式計算如下：

式中：U為工作電壓；I為電機電流；cos φ為電機的功率因數；η為電機效率。

由此可見，交流電機的輸出力矩與電機用電的有功功率UIcos φ成正比，即T∝UIcos φ。檢測電機的有功功率變化，即可得到電機的輸出力矩變化。

1.1 原理部分

本文所提技術以相敏模擬乘法運算電路對電機的電壓U、電流I按相位差φ作乘法運算，即可得到與電機輸出力矩成正比的電壓信號V（力矩電壓信號）。通過給電動設備加載額定的負載力矩T，檢測到額定力矩對應的電機力矩信號（V），依此即可得到不同負載力矩對應的電機力矩電壓信號V=f（u，i，φ）。根據這一函數，即可實現對負載力矩的控制。相敏電子式交流電機輸出力矩檢測電路利用模擬運算放大器實現UIcos φ，得到與負載力矩相對應的力矩電壓V。

圖1為相敏乘法運算電路示意圖。放大器的同相端輸入信號U是通過霍爾芯片將電機電流轉換而來，U是與電機電流大小成正比，相位、頻率完全相同的電壓信號，反向端為受電源電壓控制的線性光敏電阻R。R與R構成了放大器的負反饋回路，確定放大倍數。Z的穩定電壓2.5 V串接在反向端R與地之間，當U電壓低于2.5 V時，放大器輸入的差模電壓小于等于0 V，放大器輸出為0。

1.2 信號檢測處理部分

1.2.1 電壓信號U

圖2為電流檢測電路示意圖。電機電流流經一環形磁芯的電感線圈LT，在環形閉合磁路中插入線性霍爾芯片HR。霍爾檢測用的電感為環形閉合磁路，信號強度大，抗干擾能力強。霍爾輸出信號為2.5～5 V，遠大于應變力敏傳感器的毫伏級輸出。交流電流產生的交變磁場，使霍爾芯片的輸出信號U最大變化為0～5 V。

圖3為霍爾輸出的與電機電流幅頻特性完全相似的電壓U波形圖。電流等于0時，U為2.5 V。U的幅度與電流大小成正比，相位、頻率完全相同。

表1為電壓信號U與電機電流（以最大1 A為例）對應的實測值。

1.2.2 電阻信號R

為了將電機的電流與電壓信號按照相位差通過運算放大器實現乘法運算，這里需要將電機的電源電壓變化轉換成電阻變化。電阻的大小與電壓成反比，頻率、相位與電壓的正半周相同。

圖4中電源經電阻R限流，正半周流經二極管D，驅動線性光耦PR中的發光二極管，電壓的高低變化引起發光二極管的亮度變化，光敏電阻的阻值隨之變化。電源電壓越高，發光二極管的亮度越大，而光敏電阻的阻值越小。光敏電阻不受外部電磁場干擾，穩定性高。

從圖5光敏電阻與輸入電流變化的曲線圖可以看出，輸入電流增加，輸出電阻下降。例如電源電壓為AC220 V，限流電阻R選1.1 MΩ，流經光敏電阻發光二極管的電流約為0.2 mA，這時光敏電阻對應的阻值約為2.5 kΩ。當電源電壓以正弦規律變化，光敏電阻阻值以反向的正弦規律變化。

1.2.3 放大倍數

從圖1可見電阻R和光敏電阻R一起構成負反饋回路，確定放大器的放大倍數K，K=1+R/R。由于R的阻值隨電源電壓變化，電壓升高，R減小，K增大，因此放大倍數K的變化趨勢就與電壓變化相同，即頻率、相位相同，幅度成正比。

1.2.4 相敏乘法運算

在圖1所示的相敏模擬乘法運算放大器中，同相端輸入的是電壓信號U，電壓信號為轉換成電阻的R，用以確定放大倍數K。放大器的輸出信號G=UK，也就是G=電流×電壓。從圖6可以看出，放大倍數K與電壓的正半周同頻率、同相位。電機是感性負載，所以電流滯后于電壓相位差φ。φ的大小與電機特性和負載大小有關，負載越小φ越大，反之負載越大φ越小。所以，電機的力矩計算不是簡單的電流與電壓代數乘，必須要考慮相位差φ的關系。從電壓、電流的正半周波形看，只有兩者都不為零時才能產生力矩。相敏放大器正好實現了這一功能。當電壓信號（放大倍數K）過零為正半周時，電流信號（同向輸入）由于滯后φ，所以在此期間放大器沒有輸出。當電壓信號180°到零時（放大倍數為1），盡管電流信號因滯后仍大于零，但放大器已無放大作用。由此可見，相敏模擬乘法運算電路能很好地實現電機輸出力矩的計算。G經過RC濾波后的直流電壓V，即為與電機輸出力矩成正比的力矩信號。

2 力矩控制

相敏電子式力矩檢測電路能將電機的負載力矩轉換成相應的電壓信號V。給電動設備加載額定的負載力矩運行，力矩檢測電路可檢測到額定的力矩電壓V；讓電動設備空載運行，可得到空載時的電機輸出力矩電壓V。V=V-V即設備從空載到滿載的力矩電壓變化范圍。根據設備運行時檢測到的實時力矩電壓V，即可計算出設備的實時負載力矩。這樣就可由用戶根據設備的使用工況，選擇需要的力矩控制值。

如果僅需要實現簡單的力矩控制，也可以將力矩電壓V與給定電壓V通過電壓比較器比較，如圖7所示，當V大于V時，比較器的輸出電壓跳變為低電平。可用比較器的輸出信號驅動繼電器關斷電機，發出報警。

3 三相電機的電壓、電流采樣

如圖8所示，三相電機的電流信號采樣和單相電機一樣，串在任意一相中。電阻R、R、R阻值都相同，一端分別接三相電源的一相，另一端接在一起形成中性點o。

流過發光管電流即為相電壓U除以電阻R，光敏電阻阻值跟隨相電壓變化。電流采樣元件LT串接在A相接線中，完成對A相電流的檢測。必須保證電流和電壓信號的采樣為三相電源的同一相。

4 結語

相敏電子式力矩控制技術以相敏式模擬運算放大器為核心，采用線性霍爾芯片檢測電流，采用線性光耦將電壓轉換成電阻信號，以光敏電阻控制放大器的放大倍數，實現了電壓、電流的相敏乘法運算，很好地完成了電機輸出力矩的檢測。該電路結構簡單，所用元器件少，穩定性好、可靠性高。霍爾檢測用的電感為環形閉合磁路，信號強度大，抗干擾能力強。霍爾輸出信號為2.5～5 V，遠大于應變力敏傳感器的毫伏級輸出。光敏電阻不受外部電磁場干擾，穩定性高。該技術可用于單相、三相電機，對不同功率的電機，只需改變霍爾檢測電感線圈的線徑和匝數。與其他幾種電動設備力矩控制技術比較，相敏電子式力矩控制技術的可靠性、穩定性和準確性都有明顯的優勢。