基于相位差的转矩转速测量原理与设计

基于相位差的转矩转速测量原理与设计・

王其飞１，崔炫２

（１阜阳市通达交通服务有限公司

（２安徽中烟工业公司

摘

安徽阜阳，２

３１０

３６１１

１）

安徽合肥，２

００）

要：详细介绍了以相位差为原理的转矩转速仪原理与设计。通过对转矩转速测量原理的分析，得出转矩

转速测量传感器的输出信号是具有相位差的正弦信号。信号经过调理转换电路送入单片机，由单片机对信号进行处理并转换为转速和转矩数据，然后送显示单元显示。系统具有Ｒ机通信或分布式远程通信要求。

关键词：单片机；相位差；转矩转速测量

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔａｃｈｏｍｅｔｅｒａｎｄｍｃｑｕｅｍｅｔｅｒｗｉｔｈＲＳ４８５ｈａ自ｅｒｆａｃｅｂａｓｅｄＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｆｉｎｃｉｐｌｅ

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Ｓ一４８

５通信接口和键盘输入接口，町根据用，、需

求规定传输规约，也可通过键盘输入用广１参数，使得转矩转速仪具有良好的适用性，可单独使用，也适合主从式多

ｍｏｎｏ．ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｈａｄｅｔａｉｌ．

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中图分类号：１Ｐ３８８．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—９２２７（２０１０）０４—００５４—０３

０

引言

载轴之间。有负载时，弹性轴受到力矩的作用砸产生偏转角△０，在弹性范丽内，偏转角△０与外施转矩Ｍ成正比关系，即：△０＝ＫＭ。为了测量偏转角△０，在弹性轴两端装有２个相同的齿轮，存齿轮的外侧各安装１个绕在磁钢上的信号线｝卷ｌ，电动机带上负载后旋转时，弹性轴受力矩作用产生了偏转角，２个信号线圈的感应电势使产生相位差

角△０。一对齿距范嗣内有３６０度电角，用电角表尔的偏转角与两电势相位差角正好相等，均用△０表示…。这样，测定偏转角便转化为测定两信号线斟输出电压ｕ１，ｕ２的相位差角△０。

在工程实际应用场合，经常需要测量转矩转速和输出功率，如发动机实验台，各种水泉、液压采，各种减速机、风机、减速器等。因此，开发一种低成本、宽量程、高进度的快速数据采集的转矩转速仪，有着明显的应用价值和经济意义。转矩转速的测量方法很多，对于中小型电机来说，常用的测量设备有机械测功机、涡流测功机、磁粉测功机和电磁测功机等…。但是这砦测功机只适用于电机的静态和稳态转矩测量。采用相位差式传感器和数字式转矩转速测量仪相配合，可实现电机转矩的静态、稳态和动

态测量，到目Ｉ；ｉ『为ｌ｝＝，这种测量方法仍然是一种较好的测

传感器两信号线圈的输出电压信号ｕｌ，Ｕ２的波形如

量转矩的方法。本文以ＡＴ８９Ｃ５１单片机为核心，研制具有ＲＳ一４８５通信接口的转矩转速仪，结构简单，成本低廉，适合目前不断发展的远程监测和监控的需要。

１

图１（ａ）所爪。图１（ａ）中农，Ｊ：有负载时两电压Ｕ１，ｕ２产生了

相位差△０。经过放大整形把负半波滤去后，Ｕ１，ｕ２的波形如图ｌ（ｂ）所示。实线为ｕ１，虚线为ｕ２，重叠部分形成了一个新的脉冲波，脉宽ｔｌ，故称Ｕｄ为相位差脉冲波（如图１（ｃ）

相位差式转矩转速测量原理

相位羞式转矩测量是采用相位差式传感器测量转矩

所示）。晶振电压ｕ０采用频率ｆ＝６ＭＨｚ方波脉冲，周期Ｔ＝１／

ｆ＝１．６６７Ｘ

１０－７ｓ。把Ｕｄ和Ｕ０接到同一个与门，用相位差脉

的・一种方法，相位差式转矩传感器是‘根有弹性而没有滞后效应的短轴，使用时把弹性轴安装在电动机轴与机械负

收稿日期：２０１０—０４—０２

冲Ｕｄ去控制晶振脉冲的通过，存脉宽ｔ１时间内，晶振脉冲

可以通过；在低电平时间ｔ２内，不能通过。由于晶振脉冲

波的周期已知，因此，只要计算出通过与门的晶振脉冲

作者简介：王其飞（１９７１一），男，安徽阜阳人，工程师，学士，主要研究方向为电气自动化及仪表．

・基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目，基于嵌入

式系统的消防车智能控制器的研究（ＫＪ２００９Ｂ０４８）

数，便可以准确地算出ｔｌ。把相位差脉冲反相后和晶振脉冲－‘起送至另一个与门，同样用相位差脉冲的低电平时间

ｔ２去控制晶振脉冲的通过，在ｔ２时问内，晶振脉冲能通过，其它时间脉冲小能通过。计算通过的晶振脉冲数，同样可

安徽省高校省级自然科学研究项目，变频调试系统最小损耗效率优化策略的研究（ＫＪ２００８Ｂ０４８）

５４

万方数据

《自动化与仪器仪表》２０１０年第４期（总第１５０期）

以算出低电平时间ｔ２，进而算出相位差脉冲波的周期。

相位差脉冲周期：Ｔ＝ｔｌ＋ｔ２（１）相位差角：Ａ０＝ｔｌ×３６０。／Ｔ

（２）转矩：Ｍ＝ｋＸ△８＝Ｋ１×ｔｌ／Ｔ

（３）

公式（３）中Ｋ１可通过试验求得，由于Ｍ与ｔ１／Ｔ成正比，转速变化时ｔ１和Ｔ按同样的比例变化，就这＋一点来说，转

速变化对转矩测量没有影响，因此，这种方法可应用于不

同转速的转矩测量‘２

３，引。

图１电压波形图

２

系统的总体设计

根据ｚＪ传感器的：ｒ作原理，系统的主要任务是测量

传感器线嘲输出电压ｕ１和Ｕ２的相位差，设计框图如图２所

示。输入部分由通道１、２和鉴相器构成。通道１、２分别是由ＬＭ２５８和ＬＭ３３９构成的放大比较电路，来自ＺＪ型传感器

的诱路电信号送入仪器的通道１和通道２，经过放大比较转换为矩形波，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器。鉴

相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位

差，并产生一连串宽度与相位差成正比的脉冲。控制部分的核心是微处理器，送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入ＺＬＧ７２８９显示驱动芯片，最后在ＬＥＤ中显示。在电路中还加入了看ｌ’Ｊ狗电路和

ＲＳ－４８５通信电路。

根据转矩测量公式，对于转矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式４计算出转矩的值。测量相位

差的具体方法是当计数从全为“ｌ”翻转为全“０”时，定时

器中断标志位ＴＦｎ置位。当ＴＲｎ＝１同时ＧＡＴＥ＝０或ＩＮＴｎ＝０时

定时器计数，置位ＧＡＴＥ时允许由外部输入ＩＮＴｎ控制定时器，ＴＲｎ为ＴＣＯＮ寄存器内的控制位。

转矩测量公式：

Ｔ－垦兰！兰！巫

正

（４）

其中，Ｒ为传感器额定转矩，Ｆ为传感器系数，Ｔ１为两

信号过零点之问的相位差，Ｔ２为信号的周期。

转速测量公式：

№皇坚

（５）Ｔ×Ｐ

…

其中，Ｐ为传感器衡数，Ｔ为规定的测量时问，Ｃ为在Ｔ

时间内输入的脉冲数。

３

信号调理单元设计

设计转矩的测量是采取相位差的方法，根据转矩的

测量公式需要两路信号，一路信号用来测量信号的周期，

万方数据

－＋路信号用来测量相位差，而相位差信号需要将两路信号

加一个与门电路来获得。转速的测量同样需要两路信号，

‘路信号用来测量输入信号的脉冲数，一‘路信号用来测量输入信号脉冲所ｌ与用的时间。信号调理电路如图３所示。

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图２转速转矩仪表方框图

图３信号调理电路图

图４软件流程图

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关定时珏ｏＩ保存ＴＨＯ

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关计数器

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＝＝＝＝＝】＝＝＝＝＝

ｉ羞ＬＥＤ显示

篓蒸熏

＝＝＝＝＝＝】＝＝＝＝

重新开始测量１面

计数器清零恢复现场

转■舅量赢锄

图５转速转矩测最程序流程图

５５

●

４

软件设计

（１）主程序

主程序为转速转矩仪的监测程序，程序首先对系统进行初始化，清各工作单元，置计数器及标志位初值，自检指尔灯，开中断，启动计数器，然后进行数据采集。仪

器采用微型键盘和ＬＥＤ指，Ｊ÷灯相配合，使仪器的各种功能

清晰有序。主程序流程图如图４所示。

（２）测量子程序

测量予程序主要完成转矩和转速的测量，并根据转

矩转速计算输出功率。转速的测量是根据公式（５）所得，利用定时器ＴＯ定时测量时间１０秒，Ｔ２对１１０秒钟内信号脉

冲个数进行计数，再根据转速测量公式计算出转速值。转矩的测量是根据公式（４）所得，利用中断ＩＮＴＴＯ的ＧＡＴＥ门

来测星信号的相位差，即Ｔ１，根据前面转速测量时得出的值可计算出信号的周期，即Ｔ２＝ｌ０／Ｃ，然后再根据转矩测

量公式计算出转矩的值。转速和转矩的程序流程图如５所

刀ｉ

ｏ

下面给出转速测量了程序。

ＺＨＡＮＳＵ：ＭＯＶ１ＦＨ。＃１７Ｈ：ＫＳＣＡＬＥ２：（０－２．５Ｍ）

ＭＯＶ

１ＥＨ，＃７０Ｈ：ＫＳＣＡＬＥＩ：ＩＢ．ＩＡ．１９．１８Ｈ＝＝ｌＤ．１ＣＨ＊ＩＦ．

１ＥＨ

ＲＣ

ＶＡ，ＡＤＢＵＦＬＢＢＡ，＃ＯＯＨＶ

Ａ，ＡＤＢＵＦＨＢＢ

Ａ，＃４０ＨＺＨｌ

：ＣＹ：Ｉ

Ｒ

Ｃ

ＶＡ，ＡＤＢＵＦＨＢＢＡ，＃４０ＨＶ

ＡＤＢＵＦＨ，ＡＴＢ

ＺＨＥＮＦＬＡＧＥＭ

ＺＨ２

ｌＰ：Ｖ

Ａ．＃００ＨＲ

Ｃ

ＢＢＡ。ＡＤＢＵＦＬＶ

ＡＤＢＵＦＬ，ＡＶＡ．＃４０ＨＢＢＡ，ＡＤＢＵＦＨＶ

ＡＤＢＵＦＨ，ＡＲ

ＺＨＥＮＦＵ撼Ｅ

２：

５６

万方数据

堑±塑位羞凶整堑筮蕉型量丛型生选生

王基玉：簦

ＭＯＶ

１ＤＨ，ＡＤＢＵＦＨＭＯＶ

１ＣＨ．ＡＤＢＵＦＬＬＣＡＬＬ

ＭＵＬ２２

：１Ｂ．１Ａ．１９．１８Ｈ／１７．１６Ｈ＝＝１Ｂ．１Ａ．１９．１８Ｈ…１Ｆ．１Ｅ．１Ｄ．

ＩＣＨ．

Ｒ０．Ｒ１．Ｒ２．Ｒ３ＭＯＶ１７Ｈ。＃４０Ｈ

ＭＯＶ１６Ｈ．＃ＯＯＨＬＣＡＬＬＤＩＶ４２帅３ＶＲ７．１８ＨＭＯＶ

Ｒ６．１９ＨＭＯＶ

ＺＨｌ．Ｒ７ＭＯＶＺＨ２，Ｒ６ＬＣＡＬＬＨＢ２

Ｍ０ｖＳＥＮＤＢＵＦＯ．Ｒ５ＭＯＶ

ＳＥＮＤＢＵＦｌ，Ｒ４

ＲＥＴ

５

总结

本系统采用ＺＪ相位差式传感器，输出具有相位差的

脉冲信号，经过放大整形由单片机处理，最终得到转矩和转速数据。用户可根据实际应用需要，通过键盘方便地输

入校正系数，修改传感器带来的初级误差。系统采用了

Ｒ

Ｓ４８

５接口，可实现多机通信，抗干扰能力强，传输距离

远。可在软件上按照用户要求修改通信规约，以满足小同

的需求。

参考文献。

１

卓清锋，刘和平．单片机式高精度转矩转速效率仪的研究（Ｊ］．电工技术杂志，２０００（５）：２８～３０

２

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５

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６

ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＲｅｃｏｇｎｉｚｅｓＡｄｄｒｅｓｓｅｓｉｎ

ＲＳ一４８５Ｓｙｓｔｅｍｓ．

［ＥＢ／０Ｌ］．ｈｔｔｐ：／／ｍ啊．ｍａｘｉｍ－ｉｃ．ｃｏｍ／ａｐｐｎｏｔｅｓ．ｃｆｍ／ａｎ＿ｐｋ／１０６３

７

ＮｅｗＲＳ－４８５ＩＣ

ＩｎｃｒｅａｓｅｓＳｙｓｔｅｍＲｅｌｉａｂｉＩｉｔｙａｎｄＦａｕｌｔ

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ｉｎＭｏｔｏｒ－Ｃｏｎｔｒｏｌ

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基于相位差的转矩转速测量原理与设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王其飞， 崔炫

王其飞(阜阳市通达交通服务有限公司,安徽阜阳,236111)， 崔炫(安徽中烟工业公司,安徽合肥,231000)

自动化与仪器仪表

AUTOMATION & INSTRUMENTATION2010，""(4)0次

参考文献(7条)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zdhyyqyb201004021.aspx

授权使用：温州大学图书馆(wzdxtsg)，授权号：3caa0ff3-e619-409e-83b8-9e2301129211

下载时间：2010年11月3日