嵌入式轉矩轉速測試系統的設計與實現

王慧敏，李永紅，岳鳳英，張 倫

（1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西 太原 030051；3.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

轉矩轉速測試的準確度和便利性在一些機械動力設備的生產評價過程中占據了重要地位[1]。在一些測試中，臺架測試為主流的測試方法，即在國標要求下，先將測試設備置于一定的工作條件下，比如相應的負載、轉速、溫度、濕度等，再通過各種技術手段采集各項工作參數。其中包括電參量和非電參量，電參量主要包括電壓、功率、效率等，可以通過一定的調理電路來獲得。而非電參量包括轉矩和轉速信號，一般通過傳感器來獲得[2-6]。該文轉速的測量采用光電對射式傳感器。它的主要優點有檢測精度高、穩定性好、抗干擾性強，在連續的測量過程中，不需要再次調零，可以高轉速長時間運行。與此同時，它輸出的高電平頻率信號可直接發送給PC 機處理，可以較好地滿足需求[7-13]。

現今的測試系統有很多缺陷，大多數測試系統會受到電磁兼容方面的影響，導致測試設備的性能下降，無法工作的情況也時有發生，嚴重的可造成質量事故和設備損害以及其他無法估量的損失。其次，某些高速旋轉的特殊設備，由于安裝空間的限制，裸露的安裝部分很小，難以采用常規在軸上粘貼應變片的方法來測試[14-16]。因此，就以上問題，研制了一套嵌入式轉矩轉速測試系統，由于電磁兼容方面的限制，采用特殊的供電和信號引出方式，比如采用光電池供電和信號的光傳輸。

1 傳感器安裝方案設計

風扇驅動軸為高速旋轉部件，且測試設備安裝空間有限。從裝配圖上可看出，驅動軸裸露的部分很短，難以采用常規在軸上粘貼應變片的測試方法。因此可考慮在連接驅動軸與葉輪盤的花鍵盤上進行處理。花鍵盤套接于驅動軸端，靠花鍵與驅動軸嚙合；葉輪盤再平放于花鍵盤上，靠六個螺孔固定。如果花鍵盤不做加工，直接在其表面粘貼或焊接應變片，由于花鍵盤可認為是一個圓柱體，其扭轉帶來的形變會非常小，由此帶來的后果是放大電路的放大倍數非常大，噪聲也會在放大過程中被放大到非常大，這樣輸出信號的質量較差。而且某個螺栓孔安裝時稍微錯位就會造成花鍵盤表面產生附加的應力，這些都是影響應變片的粘貼位置和測試結果的不確定因素。

花鍵盤俯視圖如圖1 所示。葉輪盤與花鍵盤連接的六個螺孔在同一環上，環再通過三根輻條與花鍵盤軸套相接，將應變片焊接于三根輻條上，由于輻條較細，相同扭矩的條件下能產生較大的形變，同時測量三根輻條的形變，然后綜合處理成扭矩信號，因此排除了葉輪盤安裝時因不均勻性造成的影響。

圖1 花鍵盤俯視圖

2 測試模塊設計

2.1 測試模塊總體設計

測試模塊總體結構中，將應變片、信號放大部分、信號處理部分、微控制器、光通信發送部分、光電池及電源調整電路一起安裝于花鍵盤上，隨葉輪盤一起轉動，構成整個測試系統的旋轉部分。放大并經綜合處理后的扭矩數據通過光通信發送電路以光脈沖的形式發出，由固定于軸承座上的固定部分光通信接收電路進行接收。同時固定部分的供電光源持續照射旋轉部分的光電池以實現對旋轉部分進行無線供電。測量轉速時，由安裝于固定部分的轉速傳感器配合旋轉部分預加工好的齒盤進行轉速測量。測試系統整體結構如圖2所示。

圖2 測試系統整體結構圖

2.2 旋轉部分設計

2.2.1 應變片的選擇

由于風扇安裝位置所處的環境較惡劣，機械振動大，且要求測試時能長時間運行，常規的粘貼式應變片的可靠性不夠，一旦運行過程中出現應變片脫落的情況，更換處理麻煩，因此優先選擇可焊接安裝的應變片。考慮到應變片的貼裝位置在輻條上，主應力方向明確，因此選擇單軸式的應變片即可。為降低系統功耗和提高測試的動態范圍，應盡量選擇阻值較高的應變片。應變片在輻條側面貼裝時采用差動貼裝的方式，實際的應變片外觀和貼裝位置如圖3 所示。

圖3 應變片實物外形貼裝圖

圖3 只顯示了一根輻條的貼裝位置，其余兩根輻條上應變片的貼裝方式與圖3 相同。

2.2.2 放大電路的設計

將圖3 等效為懸臂梁，應變片Rg1和Rg2分別貼裝在梁受力的兩個表面，這樣，當輻條受單向彎矩作用時，Rg1與Rg2其中一個受力拉伸，另一個受力壓縮，由Rg1與Rg2加上兩個阻值為350 Ω的精密電阻組成橋式電路如圖4 所示。

圖4 應力測量電橋

在電橋上施加固定電壓E，應變片Rg1與Rg2未受力變形時，其阻值為350 Ω，與R相等，構成等臂電橋，e0輸出為0 V；當Rg1與Rg2其中一個受力拉伸，另一個受力壓縮時，電阻一個增大，另一個減少，構成差動電橋，其輸出為：

式中，KS為應變片的靈敏系數，該應變片的靈敏系數在1.8～2.2 之間，可取為2；若選取E=4.096 V，按最大形變計算，則當ε0=3 000 με 時，電橋最大輸出電壓e0=12.288 mV。后續信號處理電路部分可按照此最大輸出電壓來選擇信號放大倍數。

2.2.3 信號處理電路的設計

信號處理電路負責將前述應變電橋輸出信號加以放大，然后進行A/D 轉換變成數字量，送入后續信號輸出接口進行處理，如圖5 所示。

圖5 信號處理電路原理圖

由應變電橋送來的微小信號首先通過儀表放大器進行放大，儀表放大器選用MAXIM 公司的電阻編程可調增益放大器MAX4194，其放大倍數G由外接電阻RG調節：

應變電橋最大輸出電壓e0=12.288 mV，若將其放大為4.096 V 的信號，G≈333.33，則RG≈150 Ω。ADC選用BB 公司的ADS7812 模數轉換器，12 位分辨率，最高轉換速率可達10 MHz，外置參考電壓源，單電源操作，SPI 接口方便和后續部分的微控制器進行連接。為防止頻譜混疊，選用了MAX7400 巴特沃茲低通濾波器進行濾波。電橋的供電和ADC 參考電壓方面，采用精度為0.04%的REF50XX 系列高精密參考電壓源，保證系統的采集精確度。

設計過程中，為便于在花鍵盤上安裝，與花鍵盤外形及可用空間相匹配，信號處理電路板外形特設計為圖6 所示扇面形狀。該信號處理板負責采集一根輻條的轉矩信號，整個裝置共需三塊信號處理電路板，成120°環形布置，后續電路板設計均類似。

圖6 信號處理電路板外觀模型

2.2.4 旋轉部分母板設計

信號輸出接口部分除了輸出轉矩電壓信號，還要負責讀取信號處理電路傳送來的轉矩數值，該工作需由MCU 協調進行。另外，這個測試裝置電路也需要一塊提供支撐的電路母板。因此，將MCU 電路和其他一些必要的輔助部分設計在一塊電路板上。其中MCU 電原理圖如圖7 所示。

圖7 MCU電路原理圖

2.2.5 光通信發送電路的設計

光通信發送部分接收來自于MCU 串行接口的扭矩數據，經MCP2120 轉換為光通信協議數據，考慮到單個LED 發射信號時，風扇軸在旋轉過程中軸對光線會發生遮擋的情況，這里用MAX3120 同時驅動四個紅外LED 發射信號，相當于環繞風扇軸形成一個紅外發射光場，以保證扭矩信號各角度得到可靠接收。其中電路原理圖如圖8 所示。

圖8 光通信發送部分電路原理圖

2.2.6 供電及電源轉換的設計

供電采用紅外LED-光電池組合的供電方式，紅外LED 安裝于固定的支板上，光電池安裝于花鍵盤底部，隨風扇一起旋轉，實現非接觸供電。為保證風扇旋轉過程中不會發生電源中斷的情況，須將光源和光電池制作成環形。同時為得到最大的光電轉換效率，須在光電池效率最高的波段中選擇合適波長作為光源波長，由于一般光電池在近紅外波段轉換效率較高，因此選擇850 nm 紅外LED 作為光源器件。將若干LED 均布于扇形PCB 板上，焊接好LED后，可用四塊扇形PCB 構成環形光源板。

DC24V 電源通過LED 恒流驅動電路驅動光源板發出紅外光，照射在光電池板上，產生11V左右的電壓。該電壓在裝置內部進行電源調整，得到扭矩采集部分所需的DC5V 和DC3.3V 電源，電源調整基于LM2596-XX 芯片，圖9 所示為DC3.3V 電源調整電路原理圖，其中POWER 標號指出了外部電源的輸入引腳，DP3V3 為其調整輸出。DC5V電源調整電路與其相同，只是選用的LM2596 的后綴不同。

圖9 電源調整電路原理圖

2.3 固定部分設計

2.3.1 光通信接收部分設計

光通信接收部分用于接收旋轉部分發送來的扭矩數據，該部分與旋轉部分的光通信發送部分配對使用，因此其原理圖與上面發送部分原理圖相同，只是應用圖8 中的接收部分。該部分結構框圖如圖10所示。

圖10 光通信接收部分框圖

2.3.2 扭矩信號輸出和轉速測量設計

信號輸出接口接收來自于固定部分MCU 的數字扭矩信號，并將扭矩數字量通過DAC 轉換成模擬量，通過放大器放大形成0～10V的扭矩模擬信號輸出至后端其他信號采集設備。轉速的測量可采用光電對射式傳感器，為使裝置更緊湊，將光通信發送部分電路板支座與碼盤設計成一體。若傳感器輸出5 kHz 的脈沖信號，則折合轉速為5 000 r/min。

將上述固定部分制作成一塊電路板，其外觀如圖11 所示。

3 系統裝配設計

測試系統的各部件在風扇軸上的安裝位置如圖12 所示。該圖中，測試裝置、花鍵盤、光電池及齒盤最終集成為一個整體，構成旋轉部分。支板利用風扇輸出軸的支撐座螺栓進行固定，接收裝置、供電光源、光源驅動電源與支板集成為一個整體，構成固定部分。光電轉速傳感器安裝于接收裝置電路板上，其U 形槽對準碼盤的齒盤邊緣。接收裝置的連接線往下部走線，在合適的底部位置打孔穿出。

圖12 系統裝配示意圖

整個測試系統的部署順序為：先在底部打走線孔，然后依次安裝支板、供電光源、光源驅動電源、旋轉部分整體、接收裝置，最后安裝風扇和風扇殼。

為了驗證測試系統的可靠性和實際使用情況，按照目標設備驗證測試需求，進行多次測試，測試結果如表1 所示。

表1 測試結果

4 結束語

文中基于總體設計要求，設計了一個兼容性強，具有較大升級空間的嵌入式轉矩轉速測試系統。采用一種特殊的供電和信號引出方式，提升了效率，將整個系統集成于一體，確保了實驗過程的穩定性和可靠性。同時，為便于與可用空間相匹配，設計出固定形狀的電路板，設計新穎。該測試系統結構穩定可靠，能夠滿足實際工程需要。