CN101464197A - 扭矩测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

扭矩测量方法与装置。与具有动力供给装置和负载的动力驱动地面接合装置相关联的扭矩测量装置，包括可旋转轴、第一和第二可检测部件、多个传感器及电气控制器；可旋转轴具有纵轴、第一和第二端，第一端连接至动力供给装置，第二端连接至负载；第一和第二可检测部件分别与轴上第一、第二纵向位置相关联。多个传感器包括第一和第二传感器，第一传感器紧邻第一可检测部件，第二传感器紧邻第二可检测部件；当可旋转轴绕纵轴旋转时，第一传感器产生第一信号，第二传感器产生第二信号；电气控制器以一采样率对第一、第二信号采样，第一信号具有第一频率且采样率小于第一频率的两倍，电气控制器利用第一、第二信号计算表示可旋转轴上扭矩的扭矩量值。

Description

扭矩测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种扭矩测量装置，并且更具体地说涉及一种利用具有低采样率的控制器的扭矩测量装置。

背景技术

在动力供给装置中，诸如农业机械，发动机的动力被传给所述农业机械的几个方面并且所述动力的传递通常由旋转轴完成。由发动机供给的扭矩通常通过变速器系统传递，所述变速器系统可以被用来增加施加于负载上的扭矩。当所述负载变得太大时，所述发动机供给所述负载动力的能力可能超过所述轴的能力或者紧随的被驱动项的能力。已知通过具有止动弹簧的拨盘测量扭矩，通过该止动弹簧，扭矩从所述拨盘被传递至一从动盘。当扭矩通过连接拨盘与从动盘的弹簧被传递时，所述拨盘与所述从动盘之间的差动位置被用于计算通过所述拨盘/从动盘布置施加的扭矩。当扭矩通过所述盘传递时，所述弹簧被压缩，指针从所述从动盘相对所述从动盘上的一基点移动。随后该差动可被一传感器检测，且该信息被传输给一显示系统以提供信息给所述农业机械的操作员。美国专利号5,596,153包含了此类测量装置的一个例子，其包括一种用于发动机转速及由拨盘传递至从动盘的扭矩的测量装置。

本领域需要的是一种成本有效的扭矩测量系统，其可利用农业机械可用的计算性能被容易且便宜地引入。

发明内容

本发明涉及一种扭矩测量装置与方法，其利用一具有一低采样率的控制器测量农用车辆中至少一个驱动组件上的扭矩。

本发明一方面包括一种扭矩测量装置，该扭矩测量装置与一具有动力供给装置和负载的动力驱动地面接合装置相关联，所述扭矩测量装置包括一可旋转轴、一第一可检测部件、一第二可检测部件、多个传感器及一电气控制器，所述可旋转轴具有一纵轴、一第一端及一第二端，所述第一端与所述动力供给装置连接，所述第二端与所述负载连接；所述第一及第二可检测部件分别与所述可旋转轴上的一第一纵向位置和一第二纵向位置相关联；所述的多个传感器包括一第一传感器和一第二传感器，所述第一传感器紧邻所述第一可检测部件，所述第二传感器紧邻所述第二可检测部件，当所述可旋转轴围绕所述纵轴旋转时，所述第一传感器产生一第一信号，及所述第二传感器产生一第二信号；所述电气控制器以一采样率对所述第一信号和第二信号采样。所述第一信号具有一第一频率且所述采样率小于所述第一频率的两倍，所述电气控制器利用所述第一信号和所述第二信号计算一扭矩量值，该扭矩量值表示所述可旋转轴上的扭矩。

附图说明

图1是利用本发明的所述装置和方法的拖拉机的侧视图；

图2是图1的拖拉机中利用的本发明的扭矩测量装置的实施例图示表示；

图3是图1的拖拉机中利用的本发明的扭矩测量装置的另一实施例图示表示；

图4是图1的拖拉机中利用图2或3装置的方法的实施例的图示表示。

具体实施方案

现在参考图1，更具体参考图1-3，表示一地面接合车辆10，也称为拖拉机10。拖拉机10包括一提供动力给车轮14的发动机/变速器系统12，所述车轮14可以被理解成一负载16。发动机/变速器系统12可以被理解成一动力供给装置12，动力由此被分配给贯穿拖拉机10的机械负载，甚至通过联动动力轴分配给其它的农用设备，未示出。为了说明的目的及为了更易理解，车轮14可以被认为是一负载16，尽管进一步理解所述负载16可以是由所述发动机变速器系统12驱动的任何机械负载。

图2和3分别是具有动力供给装置12的扭矩测量系统40或42的实施例的示意表示，所述动力供给装置12通过轴18将机械动力传送给负载16。扭矩由动力供给装置12提供并通过轴18传递。齿轮20、22、24和26如所述两个实施例中所示布置，其中在图2的实施例中只利用齿轮20和22。齿轮20、22、24和26被理解成可检测部件，且并不必是齿轮，此处所述是为了更易说明本发明。例如可检测部件20、22、24和26也可以是与沿轴18的各个纵向位置相关联的光源或磁源。

图2中，传感器28和30被分别设置成与齿轮20和22相关联。在图3中传感器32和34另外分别与齿轮24和26相关联。传感器28、30、32和34与控制器36通信连接，所述控制器36接收齿轮20、22、24和26与相应的传感器28、30、32和34交互作用产生的信号。

当扭矩由动力供给装置12通过轴18被提供给负载16时，轴18围绕纵轴38旋转，使齿轮20和22随其旋转。当所述负载通过负载16增加时，通过动力供给装置12提供附加的动力，轴18绕纵轴38弯曲导致来自传感器28和30的信号的变化，这导致可检测的轴18的挠曲随后被测量，轴18的刚度被用于计算通过轴18传递的扭矩。所述计算由控制器36承担，为了更易理解，其是一与拖拉机10相关联并具有此类控制器固有的较低的采样率的一控制器/计算机。控制器36被用于控制拖拉机10中的各种系统和显示器，并通常不仅仅用于图2和3所示的扭矩的测量。尽管典型的控制器36被用于拖拉机10上的其它功能，但是应当理解，单独的控制器36也是本发明人想到的。

诸如轴18的传动组件中扭矩量值的测量允许发动机燃油配送系统的调节及拖拉机的变速器的调节，因此当保护此处所示的代表性的轴18的传动系及被驱动的此处表示为负载16的装置时，可以尽可能多产。通过能够以有效成本测量各种传动组件上的扭矩，允许发动机在较高的动力水平运行，而在每一个所述被驱动组件上的扭矩被监测时，扭矩被提供给诸如动力输出轴(PTO)和拖拉机10的轴的各种组件。

通过知道多少动力被分配给地面或前它被驱动组件也改善了变速器的换档，从而优化换档的适时以及最优齿轮比的选择。控制器36可以包括该信息，因此当使用动力输出轴(PTO)和/或液压技术时，可以根据不同的被驱动组件消耗的动力水平修正所述换档算法。此外，知道甚至记录给具体被驱动组件分配的发动机扭矩有助于保证测定，例如，如果用户安装用于提高发动机动力的未授权车用动力箱，这可能产生损坏的被驱动组件，接着这可能在用户弄错时被评估。在过去，当负载变得太大时，齿轮插销或其它装置被用来破裂以防损坏所述被驱动组件的其它部分。这种保护尽管有效，但由于所述齿轮插销或破裂的零件不得不被替换以恢复运行，所以导致不期望的停机时间。本发明提供来自被提供给各种组件的扭矩的信息的利用，因而通过监测和限制通过各种输出轴18传递的扭矩以防止对被驱动组件的损坏。

尽管可以通过各种技术测量轴扭矩，诸如应变仪和结构声波，这些技术需要滑环或遥测技术以获得来自所述轴的信号，并且不是具有固有稳健性的系统及不适用于非公路车辆。磁致伸缩和涡流技术是稳健且低成本的，但是对于原有的设备制造应用太昂贵。

现在，另外参考图4，表示利用扭矩测量系统40或42的要素的方法100。为了易于理解，扭矩测量系统40所描述的相关联的所有属性和要素同样可应用于扭矩测量系统42。齿轮20和22具有若干位于其上的齿，当它们移动时改变磁场，其可被传感器28和30检测。传感器28、30、32和34具有可包含一磁源的磁通量敏感装置。传感器28和30测量齿轮20和22上铁材料的齿经过所造成的磁场变化。当齿轮20和22上的齿分别经过传感器28和30时，产生两个信号并被传输给控制器36。控制器36具有一采样率，该采样率小于两倍的传感器28和30检测的齿经过频率，以使所述信号被混叠。在一典型的应用中，所述控制器36的采样率大大小于所述齿经过频率。控制器36接收来自传感器28和30的信号，所述信号可以被理解成在频率上大致相关但是具有与应用至轴18的扭矩相关联的相位变化的两信号。在方法100的步骤102中，控制器36计算两个齿轮中的至少一个的所述频率。在步骤104中，控制器36确定用于获得最佳信噪比的采样率。如前所示，所述两个信号是分别表示齿轮20和22上的齿的通过的脉冲串的信号，因此在步骤106中获取两个脉冲串信号。在步骤108中，计算所述两个脉冲串中每一个的傅里叶系数，且在步骤110中所述系数被用于计算所述两个信号的相对相位。在步骤112中，接着比较所述两个信号的所述相对相位与一空载相位差，相对相位的差乘以轴18的刚度以得到扭矩。所述空载相位差的测定作为安装或校准过程的一部分并在旋转轴18无负载应用于其上或可选择地具有一预定的负载时测定。

通过计算与在步骤102为每一脉冲串测定的频率匹配的傅里叶级数项并以另一个的复共轭乘以一个系数，沿轴18的纵轴38的所述两个测量位置的相对相位被确定。该方法的好处是它利用了具有有限数据采样率的现有的拖拉机控制器并只有两个磁性传感器28和30，因此得到稳健的低成本扭矩测量系统40。

现在将要描述所述扭矩测量的混叠方法是如何工作的。首先所述扭矩计算的方法知道进行所述两个脉冲串的相移，接着此处包含计算所述相移的两种方法。所述第一种方法利用内积并可更易理解。所述第二种方法是传统的离散傅里叶变换方法并更符合进行频率分析通常所看到的。接着讨论当轴18的速度在无相速时可能发生什么，此时所述运算法则不能够确定相位差和那种情形的一些创造性问题，这在使用低采样率控制器时是固有的。

扭转负载的轴18的偏转是

其中：

＝角偏转[弧度]

T＝扭矩

L＝轴长度

J＝惯性的极矩

G＝轴18刚度的模数

所述轴刚度K是

并且对于任何给定轴是一常数。然而也应当理解，根据温度的一些改变是可以预想到的，可以利用一温度传感器修正前述的轴刚度计算。

轴18以长度L间隔装配有齿轮20和22。当轴18以足够的速度旋转时，通过齿轮20与传感器28以及齿轮22与传感器30之间的交互作用产生两个正弦波形，得到两个信号，以x₁(t)和x₂(t)表示。一般方程是x_i(t)＝x_isin(2πft-Φ_i)，其中：

x_i＝正弦曲线幅值

f＝齿经过频率[Hz]

Φ_i＝相位[弧度]，及

f＝ZΩ

其中：Z＝齿轮上齿的数量

Ω＝轴速[Hz]

齿轮20和22被设计成使磁性传感器28和30产生通常的正弦信号。此外，齿轮20盒22具有相同数量的齿，当没有负载应用至轴18时，所述脉冲串的相对相位Φ₀＝(Φ₂-Φ₁)是常数。当轴18由于扭矩而扭曲时，Φ＝(Φ₂-Φ₁)按比例改变。如果轴18被扭转所述齿轮的齿的一个完整的圆周齿节，则

这是磁性传感器波形发生的2π相移，因此Φ-Φ₀＝2π。关系式

和

用于求解扭矩，我们得到T＝(JG/LZ)(Φ-Φ₀)或者更一般地，对于任何弹性件的刚度K，T＝(K/Z)(Φ-Φ₀)。

在步骤102中，控制器36读取磁性传感器28和30，计算齿轮20和22的齿的经过频率。控制器36不能获得快到足以在时域内估算相对相位的模拟信号。例如，假设齿轮20和22的所述齿经过频率是1,500Hz，则控制器36将必须以超过15,000Hz的采样以合理地测定所述时域内的相位。通过在所述频域内工作，所需要的采样率是所述带宽的两倍。因为所述模拟信号频率集中在所述齿经过频率并从这里改变很小，所以低至200Hz时可以成功地采样。该信号被高度混叠(每7.5齿经过采样一次)，但是该信号可以被完全地重构，因为我们知道该信号的频率。

下文中提出两种测定所述相位的方法。第一种被称为内积法，第二种计算所述离散傅里叶变换(DFT)的单线。每一方法假定所述齿经过频率ZΩ是已知的，并且已经获得f_s采样率下每一脉冲串x_i(n)的N样本。

所述内积法计算所述向量x_i(n)和频率ZΩ的正弦曲线的内积。诸如反正切(此处为ATAN2)的三角函数被用于获得所述相位。

          (称为傅里叶系数)

X_i是一复数，每一脉冲串的相位是：

Φ_i＝ATAN2[Im(X_i)，Re(X_i)].

所述两个信号之间的相对相位是：

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{ATAN}2[\mathrm{Im}\left(X_2{\stackrel{\‾}{X}}_1\right),\mathrm{Re}\left(X_2{\stackrel{\‾}{X}}_1\right)].$

现在描述使用离散傅里叶变换法。该方法计算所述DFT的单线，该单线最好地表示所述脉冲串。为了简化所述方程式，提出三个新的变量。第一个是频比γ＝ZΩ/f_s。第二个是k，是一整数，其与所述齿经过频率大于采样频率的倍数有关系并被用于标识所述特征频率在0-(1/2)f_s范围内是正的频率或负的频率。第三个是m，是一位于0与N/2之间的整数，标识所述DFT的哪一条线是我们感兴趣计算的。其它的线是用于计算所述信号之间的相对相位的伪码。

if FLOOR(Y)＝CEIL(Y-1/2)

comment：kf_s<ZΩ<(k+1/2)f_s

           k＝FLOOR(Y)

           m＝(Y-k)N

else

comment：(k-1/2)f_s<ZΩ<kf_s

           k＝CEIL(Y)

           m＝(k-Y)N

           end if

           

           

处理前述的无相速，对于通过使用混叠的信号计算扭矩，所述低采样率固有的是，有限数量的可预知速度其中相位不可知。审查第一个求和方程，我们发现当2ZΩ/f_s是一整数时，

对所有n是实数并且没有相位信息获得。该情形正好与所述第二方程中当m＝0或N/2时相同。因为所述齿轮上齿的数量和所述采样率可以固定，所述相位信号丢失的间隔是：ΔΩ＝f_s/2Z[Hz]＝30f_s/Z[rpm]。

为了避免该问题，在规定的速度范围内，可以选择另一采样率或选择观察来自具有与齿轮20和22不相同齿数的第二对齿轮24和26的脉冲串。所述两组齿轮上齿数的选择是认真的选择，以使所述问题区域不重叠。图3表示具有两对齿轮20和22以及24和26及随同的传感器28、30、32和34以解决潜相的轴的示意。

另一解决该问题的方法是使用至少两个认真选择频率的单独的采样率，以使所述问题区域不重叠。这在步骤104中举例说明，其中为了更好的信噪比选择一采样率。例如，如果所述采样率在200Hz，且轴18以一转速旋转以使一无相速被经历，这所述控制器转换至另一诸如175Hz的采样频率，从而允许该系统接着进行扭矩测量。

本发明人预想到的所述信号处理的另一个考虑是使用一窗函数，其被应用于通过控制器获取数据的时间，所述窗口是一预定间隔的零值的外部。例如，以一函数指矩形窗，该函数在所述预定间隔内部是常数而在其它地方是零，其描述了其代表图形的形状。但所述获得数据的时间乘以所述窗函数时，所述积是所述预定间隔的零外部。除了使用矩形窗技术，诸如汉明(Hamming)窗和汉纳(Hann)窗的异形窗也可以被用作窗口。这些函数有利于帮助求解所述信号和提高测量的精度。

以优选的实施例对本发明进行了描述，然而，应当理解的是，在不脱离所附权利要求限制的本发明范围内可进行各种改变。

Claims (20)

1、一种扭矩测量装置，其与一具有动力供给装置和负载的动力驱动地面接合车辆相关联，所述扭矩测量装置包括：

一可旋转轴，其具有一纵轴、一第一端和一第二端，所述的第一端连接至所述动力供给装置，所述的第二端连接至所述负载；

一第一可检测部件，其与所述轴的一第一纵向位置相关联；

一第二可检测部件，其与所述轴的一第二纵向位置相关联；

多个传感器，其包括一第一传感器和一第二传感器，所述的第一传感器紧邻所述第一可检测部件，所述第二传感器紧邻所述第二可检测部件；当所述可旋转轴围绕所述纵轴旋转时，所述第一传感器产生一第一信号，所述第二传感器产生一第二信号；及

一电气控制器，其以一采样率对所述第一信号和第二信号采样，所述第一信号具有一第一频率且所述采样率小于所述第一频率的两倍，所述电气控制器由所述第一信号和所述第二信号计算一扭矩量值，该扭矩量值表示所述可旋转轴上的所述扭矩。

2、如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的第一可检测部件和所述的第二可检测部件是连接至所述可旋转轴的大致相似的锯齿状圆盘。

3、如权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的第一传感器和所述的第二传感器是磁通量敏感装置。

4、如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的第一信号是一第一脉冲串，所述的第二信号是一第二脉冲串，所述的电气控制器计算所述第一脉冲串及所述第二脉冲串二者各对于一已知频率的傅里叶系数，所述电气控制器利用与所述第一脉冲串相关联的所述傅里叶系数以及与所述第二脉冲串相关联的所述傅里叶系数计算所述扭矩量值。

5、如权利要求4所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的已知频率与所述轴的旋转相关联。

6、如权利要求5所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的已知频率由对于一预定周期所述第一脉冲串和所述第二脉冲串其中之一中的脉冲的数量确定。

7、如权利要求6所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的电气控制器利用与所述第一脉冲串相关联的所述傅里叶系数以及与所述第二脉冲串相关联的所述傅里叶系数计算所述第一脉冲串与所述第二脉冲串的一相对相位。

8、如权利要求7所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的电气控制器比较所述的相对相位与一空载相位以得到一比较值。

9、如权利要求8所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述的轴具有一用一刚度值表示的刚度，所述的电气控制器用所述刚度值乘以所述的比较值以获得所述的扭矩量值。

10、一种地面接合车辆，包括：

一动力供给装置；

一负载；及

一扭矩测量装置，其连接在所述动力供给装置与所述负载之间，该扭矩测量装置包括：

一可旋转轴，其具有一纵轴、一第一端和一第二端，所述的第一端连接至所述动力供给装置，所述的第二端连接至所述负载；

一第一可检测部件，其与所述轴的一第一纵向位置相关联；

一第二可检测部件，其与所述轴的一第二纵向位置相关联；

多个传感器，包括一第一传感器和一第二传感器，所述的第一传感器紧邻所述第一可检测部件，所述第二传感器紧邻所述第二可检测部件；当所述可旋转轴围绕所述纵轴旋转时，所述第一传感器产生一第一信号，所述第二传感器产生一第二信号；及

一电气控制器，其以一采样率对所述第一信号和第二信号采样，所述第一信号具有一第一频率且所述采样率小于所述第一频率的两倍，所述电气控制器由所述第一信号和所述第二信号计算一扭矩量值，该扭矩量值表示所述可旋转轴上的扭矩。

11、如权利要求10所述的车辆，其特征在于：所述的第一可检测部件和所述的第二可检测部件是连接至所述可旋转轴的大致相似的锯齿状圆盘。

12、如权利要求11所述的车辆，其特征在于：所述的第一传感器和所述的第二传感器是磁通量敏感装置。

13、如权利要求10所述的车辆，其特征在于：所述的第一信号是一第一脉冲串，所述的第二信号是一第二脉冲串，所述的电气控制器计算所述第一脉冲串及所述第二脉冲串二者各对于一已知频率的傅里叶系数，所述电气控制器利用与所述第一脉冲串相关联的所述傅里叶系数以及与所述第二脉冲串相关联的所述傅里叶系数计算所述扭矩量值。

14、一种扭矩测量方法，包括步骤：

获得包括一第一脉冲串和一第二脉冲串的多个脉冲串；

计算所述第一脉冲串及所述第二脉冲串二者各对于一已知频率的傅里叶系数；及

利用与所述第一脉冲串相关联的所述傅里叶系数以及与所述第二脉冲串相关联的所述傅里叶系数确定所述扭矩量值。

15、如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述的已知频率与一轴的旋转相关联。

16、如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述的第一脉冲串与在一第一纵向位置连接至所述轴的至少一个可检测部件相关联，所述的第二脉冲串与在一第二纵向位置连接至所述轴的至少一个可检测部件相关联。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述的已知频率由对于一预定周期所述第一脉冲串和所述第二脉冲串其中之一中的脉冲的数量确定。

18、如权利要求17所述的方法，还包括步骤：利用与所述第一脉冲串相关联的所述傅里叶系数以及与所述第二脉冲串相关联的所述傅里叶系数计算所述第一脉冲串与所述第二脉冲串的一相对相位。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述确定步骤包括比较所述的相对相位与一空载相位以得到一比较值的步骤。

20、如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述确定步骤还包括用所述轴的一刚度乘以所述的比较值以获得所述的扭矩量值的步骤。

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