引言

電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置的一項(xiàng)重要參數(shù)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或機(jī)械動(dòng)力裝置能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，因此，研制一種數(shù)字式、高精度、便攜式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀器，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測試，通常是采用電阻應(yīng)變橋來檢測轉(zhuǎn)矩信號(hào)并借助于導(dǎo)電滑環(huán)來實(shí)現(xiàn)電阻應(yīng)變橋能源的輸入及應(yīng)變信號(hào)的輸出，但是，由于被測軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顫振，使接觸點(diǎn)處的接觸電阻發(fā)生變化，從而使測量誤差增大。此外，導(dǎo)電滑環(huán)屬于摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。

為了更好地測量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，控制和調(diào)整電機(jī)，本文選用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量，并以數(shù)字量的形式送入以AT89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成的測試系統(tǒng)。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來承擔(dān)應(yīng)變橋能源輸入及信號(hào)輸出任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無接觸傳遞，因此提高了轉(zhuǎn)矩測量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，并方便地計(jì)算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。本測量儀還可完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率的測量及報(bào)警值設(shè)定，測量周期設(shè)定及傳感器調(diào)零設(shè)定，同時(shí)還可將測試數(shù)據(jù)通過RS232口傳送到上位計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的處理、分析和對(duì)比。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量原理

用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞，而與旋轉(zhuǎn)無關(guān)，也與轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。該傳感器既可以測量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，又可以測量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，它無需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)矩，并可高速長時(shí)間運(yùn)行，而且檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。此外，傳感器的輸出信號(hào)以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機(jī)進(jìn)行接口。

1．1 轉(zhuǎn)矩測量

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測敏感組件是電阻應(yīng)變橋。該應(yīng)變橋可以通過應(yīng)變膠將專用的測扭應(yīng)變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應(yīng)變電橋，這樣，只要向應(yīng)變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號(hào)，然后將該應(yīng)變信號(hào)放大，再經(jīng)過壓／頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。傳感器的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔(dān)的，因此，可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無接觸傳遞。該應(yīng)變傳感器的測量原理如圖1所示。

由圖1可見，該傳感器是在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測扭應(yīng)變片并組成電橋，以形成基礎(chǔ)扭矩傳感器，然后在軸上再固定能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的次級(jí)線圈、軸上印刷電路板和信號(hào)環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈。電路板上則包含整流穩(wěn)壓電源、儀表放大電路及V／F變換電路。在傳感器的外殼上固定著激磁電路、能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈、信號(hào)環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈及信號(hào)處理電路。

該傳感器電路在工作時(shí)，通常由外部電源向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生的400 Hz的方波，經(jīng)過TDA2003功率放大后，即可作為交流激磁功率電源，然后通過能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級(jí)線圈T1傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈T2，將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理后變成±5 V的直流電源。再將該電源作為運(yùn)算放大器AD822的工作電源，并由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓后，便可產(chǎn)生±4．5V的精密直流電源。該電源既可作為應(yīng)變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V／F轉(zhuǎn)換器的工作電源。而當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測到的mV級(jí)應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器AD620將其放大成1．5 V±1 V的強(qiáng)信號(hào)，再通過V／F轉(zhuǎn)換器LM33l變換成頻率信號(hào)。此信號(hào)可通過信號(hào)環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級(jí)線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號(hào)處理電路進(jìn)行濾波、整形，即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)輸出。

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：

零轉(zhuǎn)矩：10 kHz±50 Hz；

正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15 kHz±50 Hz；

反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5 kHz±50 Hz；

信號(hào)幅值：0~8V；

負(fù)載電流：40mA。

1．2 轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝有60條齒縫的測速輪，同時(shí)在傳感器外殼上安裝有一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關(guān)架，測速輪的每一個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時(shí)，光敏三極管就輸出一個(gè)高電平，而當(dāng)光線通過齒縫射到光敏管的窗口時(shí)，光敏管則輸出一個(gè)低電平，這樣，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到60個(gè)脈沖。因此，每秒鐘檢測到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。

1．3 測量方法

為了完成轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值的測量及顯示，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)測頻法(M法)，即采用定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)的方式來完成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量。將轉(zhuǎn)矩信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T1，以用于完成頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)。然后在測量周期結(jié)束后，取出計(jì)數(shù)值。再由測量周期和T0、T1的計(jì)數(shù)值，并通過計(jì)算得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。

由于JN338輸出的轉(zhuǎn)矩頻率值一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計(jì)數(shù)器截?cái)嘟^對(duì)誤差可以忽略，關(guān)鍵是要保證測量定時(shí)周期T的精度。為提高T的精度，可采用外部擴(kuò)展硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的定時(shí)方法，來得到精確的定時(shí)測量周期T。此外，測量周期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量精度就會(huì)越高，穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的測量時(shí)間也會(huì)越長。因此，本系統(tǒng)的測量周期T可根據(jù)測量需要由鍵盤輸入，取值范圍為200~2000 ms。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

由于JN338的輸出為頻率量數(shù)字信號(hào)，故該傳感器可方便地與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)接口。圖2給出了JN338與單片機(jī)AT89C52進(jìn)行接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖?；蠥T89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內(nèi)含有8 kB的可反復(fù)擦寫只讀程序存儲(chǔ)器和256B的RAM。圖2中，JN338轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)的TO、T1計(jì)數(shù)器，然后由TO和Tl完成測頻計(jì)數(shù)功能，秒脈沖閘門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，即把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，二是提高單片機(jī)的抗干擾能力和保護(hù)單片機(jī)。

由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值的運(yùn)算后，即可將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率等參數(shù)保存并顯示輸出。本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，由IMP813L構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路，此外，系統(tǒng)中還擴(kuò)展了一片I2C總線串行鐵電存儲(chǔ)器FM24256，它的主要作用是存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。通過內(nèi)含GB2312中文漢字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面，ICL232的作用是將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS一232電平，以便于和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

2．1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)智能化的測量儀器而言，如能擁有一個(gè)友好的中文人機(jī)界面，會(huì)大大增強(qiáng)儀器的可操作性，本系統(tǒng)使用了顯示信息豐富、功耗低、無輻射的液晶圖文顯示模塊。由于普通圖形點(diǎn)陣液晶顯示器件存在著硬件接口電路復(fù)雜、顯示漢字編程繁復(fù)、顯示字庫占用ROM容量大等缺點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCMl286ZK。

該模塊的顯示點(diǎn)陣數(shù)為128x64，可分為4行顯示，每行可顯示8個(gè)漢字或16個(gè)ASCⅡ字符。使用該模塊每屏可同時(shí)顯示測量時(shí)間、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率值，且可方便地查閱歷史測量數(shù)據(jù)，從而很好地解決了傳統(tǒng)LED顯示方式循環(huán)顯示周期過長及人機(jī)顯示界面不友好的缺點(diǎn)。LCMl2864ZK與單片機(jī)的接口方式有8位／4位并行和2／3線串行模式。本設(shè)計(jì)利用其二線串行模式與單片機(jī)進(jìn)行接口，僅占用單片機(jī)的二根口線，單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)也比較簡單，硬件資源占用少。本系統(tǒng)鍵盤用于輸入傳感器參數(shù)、量程、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的報(bào)警值，以及測量周期和調(diào)零設(shè)置等參數(shù)。

2．2 鐵電存儲(chǔ)器

通常情況下，儀器儀表中都可用E2PROM來保存設(shè)置的參數(shù)，而用SRAM加上后備電池來保存采集的數(shù)據(jù)。但是，這種方法有一定的不足，一方面是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面，其保存數(shù)據(jù)的可靠性也較低。而鐵電存儲(chǔ)器是一種兼具RAM和ROM性能，并被認(rèn)為可能取代各類存儲(chǔ)器的超級(jí)存儲(chǔ)器，它幾乎可以跟隨總線速度無限次的寫入且具有超低功耗特性。因此，本系統(tǒng)采用一片鐵電存儲(chǔ)器FM24C256來保存設(shè)置的參數(shù)和采集的數(shù)據(jù)。

FM24C256存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為32 kx8 byte，具有10億次的讀／寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存期為10年，并帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，具有1MHz的總線頻率。

由于FM24C256采用I2C總線，因此，該器件與AT89C52單片機(jī)的接口十分簡單，僅需占用單片機(jī)的兩根I／O口線，同時(shí)也使得數(shù)據(jù)保存的可靠性大為提高。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存格式為：小時(shí)(1字節(jié))、分鐘(1字節(jié))，秒鐘(1字節(jié))、轉(zhuǎn)矩值(2字節(jié))、轉(zhuǎn)速值(2字節(jié))、功率值(2字節(jié))。保存的參數(shù)可以作為歷史數(shù)據(jù)查閱或傳送給上位機(jī)。

2．3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷

為了避免使用單片機(jī)的定時(shí)器多次重復(fù)定時(shí)，其中斷響應(yīng)時(shí)間不確定而造成的定時(shí)精度降低，提高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量周期的精度，同時(shí)也為了便于定時(shí)采集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值并定時(shí)保存轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率值，本設(shè)計(jì)擴(kuò)展了基于I2C總線的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片SD2001。該芯片是具有內(nèi)置晶振、充電電池、串行NVRAM的高精度、免調(diào)校實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件。由該芯片構(gòu)成的時(shí)鐘電路具有精度高、外圍和接口電路簡單的特點(diǎn)。利用該器件的中斷輸出引腳可得到以毫秒或秒為單位的任意時(shí)間輸出，或以分鐘為單位的任意時(shí)間輸出。本系統(tǒng)即利用該器件的硬件定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)測量周期及數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和定時(shí)保存。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件可采用MCS一51匯編語言編制。由于使用了JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器，因而無需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。本文在軟件編程中，使用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的編程思想，使軟件系統(tǒng)思路更加清晰、條理清楚。

圖3所示是本系統(tǒng)的主程序軟件框圖。本系統(tǒng)軟件主要包括初始化、轉(zhuǎn)矩計(jì)算、轉(zhuǎn)速計(jì)算、功率計(jì)算、轉(zhuǎn)矩調(diào)零、顯示輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警輸出、鍵盤控制、上位機(jī)通信等模塊。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)扭矩加載裝置來對(duì)該測量儀的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定測試可采用10個(gè)100 N的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每加1個(gè)砝碼，輸出軸即承受100N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩載荷。所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。由表l可知，該數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的轉(zhuǎn)矩最大相對(duì)測量誤差為0．40％，因此表明，該測量儀具有較高的測量精度。

5 結(jié)束語

本儀器采用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器解決了機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸能量及信號(hào)的可靠傳遞及信號(hào)輸出波動(dòng)問題，提高了測量精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的數(shù)字化測量。本儀器的特點(diǎn)在于巧妙地利用了新型傳感器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，從而為更好地控制電動(dòng)機(jī)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保障。