一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法與流程
2023-10-08 23:27:20 2
本發明屬於測試傳感領域，涉及一種可用於增大力矩傳感器量程的方法，尤其是基於DSP和PID算法的電磁補償控制方法。
背景技術：
傳感器的技術不斷發展，當今時代，從航天工業到日常生活都離不開各式各樣的傳感器。其中，力矩傳感器是航空航天、航空、船舶、汽車等領域中應用最廣泛的傳感器之一，這些行業的不斷發展對力矩傳感器的要求也越來越高，然而在現有技術情況下，在力矩傳感器設計製造的過程中卻面臨量程和靈敏度無法兼顧的困難。客觀上需要研發一種能保證力矩傳感器靈敏度但又能提高其量程的方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法，克服現有技術中存在的上述缺點。
為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案：一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法，待測量外力矩作用在力矩傳感器上時，力矩傳感器會有信號輸出，將所述信號經過A/D轉換，獲得電磁鐵的控制信號，控制信號經過D/A轉換和放大後用於驅動電磁鐵，使其產生一個和待測量外力矩方向相反的力矩作用於力矩傳感器上，然後再次對力矩傳感器的輸出進行採樣；若力矩傳感器所受的合力矩不為0，則根據當前力矩傳感器的輸出對電磁鐵的控制信號進行重新計算，通過這樣的一個閉環控制讓電磁鐵產生的反向力矩和所需測量的外力矩大小相等，從而使得作用在力矩傳感器上的合力矩為0，此時通過電磁鐵作用在力矩傳感器上的力矩就能間接得到待測外力矩的大小和方向；此時若一個較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時，控制電磁鐵的輸出，從而實現對力矩傳感器進行實時的電磁補償用來抵消作用在力矩傳感器上的外力矩，將力矩傳感器的功能轉化為判斷電磁補償和外力矩是否平衡，實現力矩傳感器的靈敏度不變而量程大大被提高。
進一步，優選地，所述信號經過A/D轉換後輸入到DSP數據處理電路中進行基於卡爾曼數字濾波的PID算法運算獲得電磁鐵的控制信號。
優選地，所述此時若一個較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時，通過DSP高速的數據處理能力來控制電磁鐵的輸出。
優選地，採用基於卡爾曼數字濾波的位置式PID算法，首先對晶片進行初始化，完成晶片內部管腳、片內資源的配置；然後配置McBSP多功能同步串行接口，時鐘Timer以及中斷；初始化PID參數，並且令初始偏差e(0)＝0,目標值r(0)＝0；
完成以上基本配置後，進入PID控制循環；首先採入c(k)值，然後計算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之後對所述偏差進行累加，通過位置式PID算法計算得到控制量u(k)，然後將e(k)的值賦給e(k-1)，等待Timer1延時觸發；
將控制量u(k)進行D/A轉換，將轉換後的信號通過放大電路放大，用放大後的信號來驅動電磁鐵，電磁鐵輸出產生的力矩與外力矩形成合力矩，三維力矩傳感器會對合力矩產生響應，將響應模擬信號轉換為數位訊號；當Timer1定時中斷滿足中斷條件後，再次採入c(k)值，開始下一次PID控制。
由於採用了上述技術方案，本發明能在保證力矩傳感器靈敏度的前提下提高其量程。
附圖說明
圖1為本發明方法的原理框圖。
圖2為本發明方法基於卡爾曼數字濾波的PID算法框圖；
圖3為本發明方法基於卡爾曼數字濾波的位置式PID算法控制流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖所示對本發明作進一步的說明。
本發明一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法：待測量外力矩作用在力矩傳感器上時，力矩傳感器就會有信號輸出，信號經過A/D轉換後輸入到DSP數據處理電路中進行基於卡爾曼數字濾波的PID算法運算獲得電磁鐵的控制信號，控制信號經過D/A轉換和放大後用於驅動電磁鐵，使其產生一個和待測量外力矩方向相反的力矩作用於力矩傳感器上，然後再次對力矩傳感器的輸出進行採樣，看力矩傳感器所受的和力矩是否為0，若不為0則根據當前力矩傳感器的輸出對電磁鐵的控制信號進行重新計算，通過這樣的一個閉環控制可以快速的讓電磁鐵產生的反向力矩和所需測量的外力矩大小相等，從而使得作用的力矩傳感器上的合力矩為0，此時通過電磁鐵作用在力矩傳感器上的力矩就能間接得到待測外力矩的大小和方向。此時若一個較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時，通過DSP高速的數據處理能力來控制電磁鐵的輸出，從而實現對力矩傳感器進行實時的電磁補償用來抵消作用在力矩傳感器上的外力矩，將力矩傳感器的功能變成判斷電磁補償和外力矩是否平衡。通過這種方法可以實現保證力矩傳感器的靈敏度不變而量程大大被提高。
以下以一個小量程高靈敏度的力矩傳感器作為實施對象為例，介紹本發明基於DSP的力矩傳感器電磁補償控制方法。硬體部分如圖1所示，包括：信號調理電路、A/D轉換電路、DSP數據處理電路、D/A轉換電路、驅動放大電路，電磁鐵。
在信號調理電路中選用了美國ADI公司生產的AD620和ADA4062-2晶片，其中AD620晶片對力矩傳感器輸出的信號進行放大，ADA4062-2則配合電阻電容組成有源濾波電路兼備濾波和放大作用。AD轉換電路中AD晶片選用美信公司的MAX1301。轉換後的離散數位訊號在DSP數據處理電路中控制單元選用德州儀器生產的TMS320C6416晶片。D/A轉換電路中D/A晶片選用美信公司的MA5725。驅動電路中放大器選用美國TI公司生產的OPA548晶片。
總的來說整個控制系統分為七個環節，如圖1所示。當外力矩作用於力矩傳感器上時，力矩傳感器會輸出一個信號，通常傳感器輸出的信號很微小、且夾雜很多幹擾，因此需要先通過信號調理電路進行濾波、放大等操作。經過信號調理電路之後所輸出的信號大小合適且雜波已被過濾乾淨，但還是模擬量，但是控制單元不能對模擬量進行直接處理，因此經過處理之後的信號需要進行AD轉換，將模擬量轉換成數字量之後才能通過控制單元進行控制。經過AD轉換之後的信號傳遞給DSP數據處理電路進行處理，根據傳感器所輸出的信號通過算法計算電磁鐵的控制量，並輸出。此時所輸出的為數字量，但數字量並不能直接用於電磁鐵的控制，因此需要通過DA轉換，將DSP數據處理所得的電磁鐵控制量轉換成模擬量。但由於DA晶片的輸出不足以驅動電磁鐵，因此需要電磁鐵驅動電路來按照DA轉換的輸出結果來驅動電磁鐵。電磁鐵作為整個系統的最終執行器，重新作用在力矩傳感器上。系統工作時按照這樣處理過程循環，直到測試過程結束。
進一步，在DSP數據處理電路進行數據處理的過程中引入PID算法來控制電磁鐵的輸出，用以平衡作用在力矩傳感器上的外力矩，由於卡爾曼數字濾波算法能有效的控制幹擾信號和測量噪聲信號，因此將其加入到傳統的PID算法中可以有效地抑制外界幹擾、減少超調量、降低系統的穩態誤差，使得電磁補償的實時性更好，精確性更好。
基於卡爾曼數字濾波的PID算法框圖如圖2所示。圖中rin為預期的給定值，即平衡時力矩傳感器的輸出值。u為控制偏差經過PID算法計算後的控制信號作用於被控對象即本發明中的電磁鐵，同時作為前一時刻的估計值輸入到卡爾曼數字濾波器中，在控制信號u作用在被控對象的過程中會引入過程噪聲W。y為被控對象的輸出信號，youtv為現時刻的觀測值，其中引入了觀測噪聲V。yout是經卡爾曼濾波後的輸出信號。
本發明採用基於卡爾曼數字濾波的位置式PID算法，算法控制流程圖如圖3所示。首先對TMS320C6416晶片進行初始化，完成晶片內部管腳、片內資源的配置；然後配置McBSP多功能同步串行接口，時鐘Timer以及中斷；初始化PID參數，並且令初始偏差e(0)＝0,目標值r(0)＝0。完成以上基本配置後，接下來進入PID控制循環。首先採入c(k)值(所述c(k)為高靈敏度力矩傳感器所輸出的信號被採集的結果，即PID算法中的採樣值。採樣值c(k)和目標值r(0)的差值就是偏差e(k))，然後計算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之後對偏差進行累加，通過位置式PID算法計算得到控制量u(k)，然後將e(k)的值賦給e(k-1)，等待Timer1延時觸發。同時將控制量u(k)輸出到MAX5725進行D/A轉換，將轉換後的信號通過放大電路放大，用放大後的信號來驅動電磁鐵，電磁鐵輸出產生的力矩與外力矩形成合力矩，三維力矩傳感器會對合力矩產生響應，用MAX1300將響應模擬信號轉換為數位訊號。當Timer1定時中斷滿足中斷條件後，再次採入c(k)值，開始下一次PID控制。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。