基於fpga的感應移相式扭矩測量系統的製作方法

2023-04-24 22:04:56 1

基於fpga的感應移相式扭矩測量系統的製作方法
【專利摘要】基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統，由新型感應移相式扭矩傳感器和基於FPGA的中央數字處理器組成。感應移相式扭矩傳感器主要包括傳感器軸、支架1、支架2、勵磁鐵心及繞組、輸出鐵心及繞組、輸出繞組外接電容及電阻、補償繞組和防塵蓋，其中支架1與傳感器軸的左端為一體化設計。通過合理匹配輸出繞組外接電容和電阻的值，傳感器能夠將負載扭矩轉換成兩路電信號輸出，且兩路電信號的相位差和與負載扭矩存在一一對應關係。基於FPGA的中央數組處理器對兩路信號進行處理，通過高頻脈衝插值和計數的方式，實現輸入兩路信號相位差的獲取，經過標定後，即可實現對負載扭矩的精確測量。
【專利說明】基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種扭矩測量裝置，更具體的是涉及一種基於FPGA的感應移相式扭 矩測量系統。

【背景技術】
[0002] 扭矩測量技術得到了人們的高度重視而成為測試領域發展較快的學科，在工業、 航天、軍事等多個領域都獲得了廣泛的應用。例如在鑽井過程中使用扭矩傳感器，通過對扭 矩參數的測量能正確指導工程施工，有利於快速發現油氣顯示和提高鑽井效率；EPS系統 中的電子控制單元通過接收到的轉向盤扭矩信號，控制電機電流產生合適的助力；直接測 量隔離開關主閘刀的合閘力矩值，以指導和控制隔離開關的機械性能調試。
[0003] 目前在扭矩測量中，市場上較成熟的扭矩傳感器主要是應變式和磁電式。應變式 扭矩傳感器以電阻應變片為敏感元件，通過在轉軸或與轉軸串接的彈性軸上安裝四片精密 電阻應變片，並連接成惠思頓電橋，扭矩使軸的微小變形引起應變阻值發生變化，電橋輸出 的信號與扭矩成比例。傳感器具有體積小重量輕等優點，不足之處是信號的傳輸易受幹擾 且損耗較大，導致測量精度不是很高；磁電式扭矩傳感器通過磁電感應獲取扭矩信號，傳 感器輸出信號的本質是兩路具有相位差的角位移信號，對信號進行組合處理後得到轉矩信 息，它是非接觸式傳感器，無磨損、無摩擦，可用於長期測量，不足之處是體積大，不易安裝。


【發明內容】

[0004] 本發明提供了一種基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統，由新型感應移相式扭 矩傳感器和基於FPGA的中央數字處理器組成。感應移相式扭矩傳感器主要包括傳感器軸、 支架一、支架二、勵磁鐵心及繞組、輸出鐵心及繞組、輸出繞組外接電容及電阻、補償繞組和 防塵蓋，其中支架一與傳感器軸的左端為一體化設計。通過合理匹配輸出繞組外接電容和 電阻的值，傳感器能夠將負載扭矩轉換成兩路電信號輸出，且兩路電信號的相位差和與負 載扭矩相對應。基於FPGA的中央數組處理器對兩路信號進行處理，通過高頻脈衝插值和計 數的方式，實現輸入兩路信號相位差的獲取，經過標定後，最終將兩路信號的相位差轉化為 負載扭矩值。
[0005] 本發明的目的採取下述技術方案實現：
[0006] 一種基於現場可編程門陣列（FPGA)的感應移相式扭矩測量系統，由感應移相式 扭矩傳感器和基於FPGA的中央數字處理器組成，其中感應移相式扭矩傳感器包括 ：
[0007] 傳感器軸，分為左、中、右三段，中間段的直徑小於傳感器軸左端部分的直徑和右 端部分的直徑，傳感器軸左端部分的直徑小於右端部分的直徑；
[0008] 支架一，與傳感器軸的左端為一體式設計，支架一的圓形殼體與傳感器軸同軸 心；
[0009] 支架二，與傳感器軸的右端固定，與傳感器軸的左端通過軸承隔離，支架二可以相 對於傳感器軸的左端轉動，支架二的圓形殼體與傳感器軸同軸心；
[0010] 勵磁鐵心，同軸心的固定在支架一圓形殼體的內側，勵磁鐵心設有繞組槽，勵磁繞 組和補償繞組嵌放在勵磁鐵心的繞組槽中，勵磁繞組和補償繞組同為單相繞組，且勵磁繞 組的軸線和補償繞組的軸線在空間上相互垂直；
[0011] 輸出鐵心，同軸心的固定在支架圓形殼體二的外側，輸出鐵心設有繞組槽，輸出繞 組嵌放在輸出鐵心的繞組槽中，輸出繞組為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在 空間上相互垂直；
[0012] 防塵蓋，與支架一圓形殼體的右端固定，中間設有圓孔，傳感器軸的右端從防塵蓋 中間的圓孔中穿出；
[0013] 勵磁鐵心和輸出鐵心之間存在很小的空氣隙；
[0014] 勵磁繞組內為交流電，形成的磁場為脈振磁場，補償繞組為直接短路的方式連 接；
[0015] 兩組輸出繞組中的一組單相繞組與可調電容器串接，另一組單相繞組與可調電阻 器串接，之後兩組單相繞組再並聯後引出；
[0016] 勵磁繞組的軸線與兩組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45度角； [0017] 分別與兩相輸出繞組串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件coRC = 1，其中 ω為勵磁交流電的角頻率；
[0018] 支架一和支架二由硬質鋁合金製成，勵磁鐵心和輸出鐵心採用高磁導率的鐵鎳軟 磁合金片或高導磁性矽鋼片衝剪疊壓構成，勵磁繞組、補償繞組和輸出繞組均採用直焊性 聚氨酯漆包圓銅線；
[0019] 與扭矩傳感器相配套的基於FPGA的中央數字處理器，包括整形模塊和數字處理 模塊，整形模塊對傳感器輸出繞組的電壓信號和勵磁繞組的電壓信號進行處理，轉換成兩 路對應的方波電信號，兩路方波電信號存在一定的相位差，且該相位差與傳感器軸所加載 的扭矩存在對應關係，經過數字處理模塊處理後，可以獲得精確的相位差值；
[0020] 數字處理模塊，包括外部晶振、倍頻電路、基本邏輯門、門控電路、計數電路、鎖存 器和數據處理單元，外部晶振通過倍頻電路後產生高頻脈衝信號；基本邏輯門用於獲取兩 路方波信號的相位差信號，並將高頻脈衝信號和相位差信號進行與邏輯運算；門控電路用 於控制計數電路工作的啟停，計數電路分別對相位差內高頻脈衝數和一個信號周期內的高 頻脈衝數進行計數，將計數結果鎖存後再傳送至數據處理單元；數據處理單元將計數結果 轉化為對應的相位差值，相位差值與負載扭矩值存在一一對應關係，標定後即可實現對扭 矩的精確測量。
[0021] 如上述的扭矩測量系統，本發明的基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統，其工作 原理為：
[0022] 置於扭矩傳感器勵磁鐵心中的單相勵磁繞組通入正弦交流電壓，產生磁勢幅值隨 時間變化的脈振磁場，經由勵磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成閉合迴路。傳感器軸一端固 定，另一端施加負載扭矩，負載扭矩為零時，傳感器軸不發生形變，與傳感器軸左端一體化 固定的支架一和與傳感器軸右端固定的支架二，兩者的相對位置保持不變，固定在支架一 上勵磁繞組的軸線與固定在支架二上兩組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45 度角，變化的脈振磁場對兩組輸出繞組進行耦合，兩組單相輸出繞組分別產生感應電動勢， 由於輸出繞組中一組輸出繞組與可調電容器串接，另一組輸出繞組與可調電阻器串接，且 分別與兩相輸出繞組串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件c〇RC= 1，其中ω為勵磁 交流電的角頻率，之後兩組輸出繞組再並聯後引出，引出後兩組輸出繞組輸出交流電壓的 相位與勵磁繞組交流電壓的相位相同。
[0023] 負載扭矩不為零時，傳感器軸產生形變，與傳感器軸左端一體化固定的支架一和 與傳感器軸右端固定的支架二，兩者的相對位置發生變化，固定在支架一上勵磁繞組的軸 線與固定在支架二上兩組輸出繞組的軸線，空間上錯開的角度不再是初始的45度角，變化 的脈振磁場對兩組輸出繞組進行耦合，兩組單相輸出繞組分別產生感應電動勢，與兩相輸 出繞組串接的電容值C和電阻值R仍然滿足約束條件c〇RC= 1，之後兩組輸出繞組再並聯 後引出，引出後兩組輸出繞組輸出的交流電壓的相位與勵磁繞組交流電壓的相位錯開一定 的電角度，即兩路正弦電信號存在相位差，且該相位差與施加的負載扭矩存在 對應關 系。
[0024] 將兩路正弦電信號輸入到中央數字處理器，首先經過整形模塊的處理，兩路正弦 電信號變為兩路對應的方波電信號，再將兩路方波信號再輸入至經過數字處理模塊，最終 得到兩路方波信號的相位差，由於該相位差與施加的負載扭矩存在 對應關係，經過標 定後，系統可以實現對扭矩的精確測量。
[0025] 如上述的扭矩測量系統，本發明利用電磁感應原理，以及輸出繞組外接電容和電 阻的合理匹配，構成了新型的感應移相式轉矩傳感器，傳感器能夠把負載扭矩轉換成勵磁 電壓和輸出電壓的相位差，再通過基於FPGA的中央數字處理器獲取該相位差值，經過標定 後，可以實現對扭矩的精確測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統的組成圖；
[0027] 圖2為圖1中新型感應移相式扭矩傳感器的結構示意圖；
[0028] 圖3為圖2中扭矩傳感器A-A面的剖視圖；
[0029] 圖4為圖2中扭矩傳感器的工作原理圖；
[0030] 圖5為圖2中扭矩傳感器補償繞組的工作原理圖；
[0031] 圖6為本發明基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統的工作原理圖；
[0032] 圖7為圖6中數字處理模塊的構成圖。

【具體實施方式】
[0033] 以下結合附圖進一步描述本發明基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統的特徵。
[0034] 圖1為本發明基於FPGA的感應移相式扭矩測量系統的組成圖，測量系統由新結構 感應移相式扭矩傳感器和基於FPGA的中央數字處理器構成。
[0035] 圖2為圖1中新型感應移相式扭矩傳感器的結構示意圖，包括傳感器軸1、支架一 2、支架二3、勵磁鐵心4、勵磁繞組5、補償繞組6、輸出鐵心7、輸出繞組8、防塵蓋9、軸承10。
[0036] 其中傳感器軸1分為左、中、右三段，中間段的直徑小於左端部分的直徑和右端部 分的直徑，傳感器軸1左端部分的直徑小於右端部分的直徑；
[0037] 支架一 2,與傳感器軸1的左端為一體式設計，支架一 2的圓形殼體與傳感器軸1 同軸心；
[0038] 支架二3,與傳感器軸1的右端固定，與傳感器軸1的左端通過軸承10隔離，支架 二3可以相對於傳感器軸1的左端轉動，支架二3的圓形殼體與傳感器軸1同軸心；
[0039] 勵磁鐵心4,同軸心的固定在支架一 2圓形殼體的內側，勵磁鐵心4設有繞組槽，勵 磁繞組5和補償繞組6嵌放在勵磁鐵心4的繞組槽中；
[0040] 輸出鐵心7,同軸心的固定在支架二3圓形殼體的外側，輸出鐵心7設有繞組槽，輸 出繞組8嵌放在輸出鐵心7的繞組槽中；
[0041] 防塵蓋9,與支架一 2圓形殼體的右端固定，中間設有圓孔，傳感器軸1的右端從防 塵蓋9中間的圓孔中穿出；
[0042] 勵磁鐵心4和輸出鐵心7之間存在很小的空氣隙。
[0043] 圖3為圖2中扭矩傳感器A-A面的剖視圖，勵磁繞組5和補償繞組6嵌放在勵磁 鐵心4的繞組槽中，勵磁繞組5和補償繞組6同為單相繞組，其中補償繞組為直接短路的方 式連接，且勵磁繞組5的軸線和補償繞組6的軸線在空間上相互垂直；輸出繞組8嵌放在輸 出鐵心7的繞組槽中，輸出繞組8為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在空間上 相互垂直。
[0044] 圖4為圖2中扭矩傳感器的工作原理圖，負載扭矩為零時的接線如圖4(a)所示， 負載扭矩不為零時的接線如圖4(b)所示，圖4(b)中的輸出繞組相對圖4(a)中的初始位 置，逆時針轉過了角度Θ，該角度與施加的負載扭矩存在一一對應關係。
[0045] 勵磁繞組5用D「D2來表示，輸出繞組8分別用Z「Z2和Z 3_Z4來表示，勵磁繞組 DrD2通入交流電

【權利要求】
1. 一種基於現場可編程門陣列（FPGA)的感應移相式扭矩測量系統，包括新型感應移 相式扭矩傳感器和基於FPGA的中央數字處理器。
2. 根據權利要求1所述的感應移相式扭矩傳感器，包括： 傳感器軸，分為左、中、右三段，中間段的直徑小於左端部分的直徑和右端部分的直徑， 傳感器軸左端部分的直徑小於右端部分的直徑； 支架一，與傳感器軸的左端為一體式設計，支架一的圓形殼體與傳感器軸同軸心； 支架二，與傳感器軸的右端固定，與傳感器軸的左端通過軸承隔離，支架二可以相對於 傳感器軸的左端轉動，支架二的圓形殼體與傳感器軸同軸心； 勵磁鐵心，同軸心的固定在支架一圓形殼體的內側，勵磁鐵心設有繞組槽，勵磁繞組和 補償繞組嵌放在勵磁鐵心的繞組槽中，勵磁繞組和補償繞組同為單相繞組，且勵磁繞組的 軸線和補償繞組的軸線在空間上相互垂直； 輸出鐵心，同軸心的固定在支架二圓形殼體的外側，輸出鐵心設有繞組槽，輸出繞組嵌 放在輸出鐵心的繞組槽中，輸出繞組為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在空間 上相互垂直； 防塵蓋，與支架一圓形殼體的右端固定，中間設有圓孔，傳感器軸的右端從防塵蓋中間 的圓孔中穿出。
3. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：勵磁鐵心和輸出鐵心 之間存在很小的空氣隙。
4. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：勵磁繞組內為交流電， 形成的磁場為脈振磁場，補償繞組為直接短路的方式連接。
5. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：兩組輸出繞組中的一 組單相繞組與可調電容器串接，另一組單相繞組與可調電阻器串接，之後兩組單相繞組再 並聯後引出。
6. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：分別與兩相輸出繞組 串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件coRC = 1，其中ω為勵磁交流電的角頻率。
7. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：勵磁繞組的軸線與兩 組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45度角。
8. 根據權利要求2所述的感應移相式扭矩傳感器，其特徵在於：支架一和支架二由硬 質鋁合金製成，勵磁鐵心和輸出鐵心採用高磁導率的鐵鎳軟磁合金片或高導磁性矽鋼片衝 剪疊壓構成，勵磁繞組、補償繞組和輸出繞組均採用直焊性聚氨酯漆包圓銅線。
9. 根據權利要求1所述的基於FPGA的中央數字處理器，包括整形模塊和數字處理模 塊，其特徵在於：整形模塊對傳感器輸出繞組的電壓信號和勵磁繞組的電壓信號進行處理， 轉換成兩路對應的方波電信號，兩路方波電信號存在一定的相位差，且該相位差與傳感器 軸所加載的扭矩存在對應關係，經過數字處理模塊處理後，可以獲得精確的相位差值。
10. 根據權利要求9所述的數字處理模塊，包括外部晶振、倍頻電路、基本邏輯門、門控 電路、計數電路、鎖存器和數據處理單元，其特徵在於： 外部晶振通過倍頻電路後產生高頻脈衝信號； 基本邏輯門用於獲取兩路方波信號的相位差信號，並將高頻脈衝信號和相位差信號進 行與邏輯運算； 門控電路用於控制計數電路工作的啟停，計數電路分別對相位差內高頻脈衝數和一個 信號周期內的高頻脈衝數進行計數，將計數結果鎖存後再傳送至數據處理單元； 數據處理單元將計數結果轉化為對應的相位差值，相位差值與負載扭矩值存在一一對 應關係，標定後即可實現扭矩的精確測量。
【文檔編號】G01L3/10GK104122020SQ201410397376
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】趙浩, 馮浩, 吳曉陽 申請人:嘉興學院