CN104122020A - 基于fpga的感应移相式扭矩测量系统 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统，由新型感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器组成。感应移相式扭矩传感器主要包括传感器轴、支架1、支架2、励磁铁心及绕组、输出铁心及绕组、输出绕组外接电容及电阻、补偿绕组和防尘盖，其中支架1与传感器轴的左端为一体化设计。通过合理匹配输出绕组外接电容和电阻的值，传感器能够将负载扭矩转换成两路电信号输出，且两路电信号的相位差和与负载扭矩存在一一对应关系。基于FPGA的中央数组处理器对两路信号进行处理，通过高频脉冲插值和计数的方式，实现输入两路信号相位差的获取，经过标定后，即可实现对负载扭矩的精确测量。

Description

基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统

技术领域

本发明涉及一种扭矩测量装置，更具体的是涉及一种基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统。

背景技术

扭矩测量技术得到了人们的高度重视而成为测试领域发展较快的学科，在工业、航天、军事等多个领域都获得了广泛的应用。例如在钻井过程中使用扭矩传感器，通过对扭矩参数的测量能正确指导工程施工，有利于快速发现油气显示和提高钻井效率；EPS系统中的电子控制单元通过接收到的转向盘扭矩信号，控制电机电流产生合适的助力；直接测量隔离开关主闸刀的合闸力矩值，以指导和控制隔离开关的机械性能调试。

目前在扭矩测量中，市场上较成熟的扭矩传感器主要是应变式和磁电式。应变式扭矩传感器以电阻应变片为敏感元件，通过在转轴或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并连接成惠思顿电桥，扭矩使轴的微小变形引起应变阻值发生变化，电桥输出的信号与扭矩成比例。传感器具有体积小重量轻等优点，不足之处是信号的传输易受干扰且损耗较大，导致测量精度不是很高；磁电式扭矩传感器通过磁电感应获取扭矩信号，传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，对信号进行组合处理后得到转矩信息，它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量，不足之处是体积大，不易安装。

发明内容

本发明提供了一种基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统，由新型感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器组成。感应移相式扭矩传感器主要包括传感器轴、支架一、支架二、励磁铁心及绕组、输出铁心及绕组、输出绕组外接电容及电阻、补偿绕组和防尘盖，其中支架一与传感器轴的左端为一体化设计。通过合理匹配输出绕组外接电容和电阻的值，传感器能够将负载扭矩转换成两路电信号输出，且两路电信号的相位差和与负载扭矩相对应。基于FPGA的中央数组处理器对两路信号进行处理，通过高频脉冲插值和计数的方式，实现输入两路信号相位差的获取，经过标定后，最终将两路信号的相位差转化为负载扭矩值。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的感应移相式扭矩测量系统，由感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器组成，其中感应移相式扭矩传感器包括：

传感器轴，分为左、中、右三段，中间段的直径小于传感器轴左端部分的直径和右端部分的直径，传感器轴左端部分的直径小于右端部分的直径；

支架一，与传感器轴的左端为一体式设计，支架一的圆形壳体与传感器轴同轴心；

支架二，与传感器轴的右端固定，与传感器轴的左端通过轴承隔离，支架二可以相对于传感器轴的左端转动，支架二的圆形壳体与传感器轴同轴心；

励磁铁心，同轴心的固定在支架一圆形壳体的内侧，励磁铁心设有绕组槽，励磁绕组和补偿绕组嵌放在励磁铁心的绕组槽中，励磁绕组和补偿绕组同为单相绕组，且励磁绕组的轴线和补偿绕组的轴线在空间上相互垂直；

输出铁心，同轴心的固定在支架圆形壳体二的外侧，输出铁心设有绕组槽，输出绕组嵌放在输出铁心的绕组槽中，输出绕组为两组，同为单相绕组，且两组输出绕组的轴线在空间上相互垂直；

防尘盖，与支架一圆形壳体的右端固定，中间设有圆孔，传感器轴的右端从防尘盖中间的圆孔中穿出；

励磁铁心和输出铁心之间存在很小的空气隙；

励磁绕组内为交流电，形成的磁场为脉振磁场，补偿绕组为直接短路的方式连接；

两组输出绕组中的一组单相绕组与可调电容器串接，另一组单相绕组与可调电阻器串接，之后两组单相绕组再并联后引出；

励磁绕组的轴线与两组输出绕组的轴线，两者初始位置在空间上错开45度角；

分别与两相输出绕组串接的电容值C和电阻值R需满足约束条件ωRC＝1，其中ω为励磁交流电的角频率；

支架一和支架二由硬质铝合金制成，励磁铁心和输出铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成，励磁绕组、补偿绕组和输出绕组均采用直焊性聚氨酯漆包圆铜线；

与扭矩传感器相配套的基于FPGA的中央数字处理器，包括整形模块和数字处理模块，整形模块对传感器输出绕组的电压信号和励磁绕组的电压信号进行处理，转换成两路对应的方波电信号，两路方波电信号存在一定的相位差，且该相位差与传感器轴所加载的扭矩存在对应关系，经过数字处理模块处理后，可以获得精确的相位差值；

数字处理模块，包括外部晶振、倍频电路、基本逻辑门、门控电路、计数电路、锁存器和数据处理单元，外部晶振通过倍频电路后产生高频脉冲信号；基本逻辑门用于获取两路方波信号的相位差信号，并将高频脉冲信号和相位差信号进行与逻辑运算；门控电路用于控制计数电路工作的启停，计数电路分别对相位差内高频脉冲数和一个信号周期内的高频脉冲数进行计数，将计数结果锁存后再传送至数据处理单元；数据处理单元将计数结果转化为对应的相位差值，相位差值与负载扭矩值存在一一对应关系，标定后即可实现对扭矩的精确测量。

如上述的扭矩测量系统，本发明的基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统，其工作原理为：

置于扭矩传感器励磁铁心中的单相励磁绕组通入正弦交流电压，产生磁势幅值随时间变化的脉振磁场，经由励磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合回路。传感器轴一端固定，另一端施加负载扭矩，负载扭矩为零时，传感器轴不发生形变，与传感器轴左端一体化固定的支架一和与传感器轴右端固定的支架二，两者的相对位置保持不变，固定在支架一上励磁绕组的轴线与固定在支架二上两组输出绕组的轴线，两者初始位置在空间上错开45度角，变化的脉振磁场对两组输出绕组进行耦合，两组单相输出绕组分别产生感应电动势，由于输出绕组中一组输出绕组与可调电容器串接，另一组输出绕组与可调电阻器串接，且分别与两相输出绕组串接的电容值C和电阻值R需满足约束条件ωRC＝1，其中ω为励磁交流电的角频率，之后两组输出绕组再并联后引出，引出后两组输出绕组输出交流电压的相位与励磁绕组交流电压的相位相同。

负载扭矩不为零时，传感器轴产生形变，与传感器轴左端一体化固定的支架一和与传感器轴右端固定的支架二，两者的相对位置发生变化，固定在支架一上励磁绕组的轴线与固定在支架二上两组输出绕组的轴线，空间上错开的角度不再是初始的45度角，变化的脉振磁场对两组输出绕组进行耦合，两组单相输出绕组分别产生感应电动势，与两相输出绕组串接的电容值C和电阻值R仍然满足约束条件ωRC＝1，之后两组输出绕组再并联后引出，引出后两组输出绕组输出的交流电压的相位与励磁绕组交流电压的相位错开一定的电角度，即两路正弦电信号存在相位差，且该相位差与施加的负载扭矩存在一一对应关系。

将两路正弦电信号输入到中央数字处理器，首先经过整形模块的处理，两路正弦电信号变为两路对应的方波电信号，再将两路方波信号再输入至经过数字处理模块，最终得到两路方波信号的相位差，由于该相位差与施加的负载扭矩存在一一对应关系，经过标定后，系统可以实现对扭矩的精确测量。

如上述的扭矩测量系统，本发明利用电磁感应原理，以及输出绕组外接电容和电阻的合理匹配，构成了新型的感应移相式转矩传感器，传感器能够把负载扭矩转换成励磁电压和输出电压的相位差，再通过基于FPGA的中央数字处理器获取该相位差值，经过标定后，可以实现对扭矩的精确测量。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统的组成图；

图2为图1中新型感应移相式扭矩传感器的结构示意图；

图3为图2中扭矩传感器A-A面的剖视图；

图4为图2中扭矩传感器的工作原理图；

图5为图2中扭矩传感器补偿绕组的工作原理图；

图6为本发明基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统的工作原理图；

图7为图6中数字处理模块的构成图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统的特征。

图1为本发明基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统的组成图，测量系统由新结构感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器构成。

图2为图1中新型感应移相式扭矩传感器的结构示意图，包括传感器轴1、支架一2、支架二3、励磁铁心4、励磁绕组5、补偿绕组6、输出铁心7、输出绕组8、防尘盖9、轴承10。

其中传感器轴1分为左、中、右三段，中间段的直径小于左端部分的直径和右端部分的直径，传感器轴1左端部分的直径小于右端部分的直径；

支架一2，与传感器轴1的左端为一体式设计，支架一2的圆形壳体与传感器轴1同轴心；

支架二3，与传感器轴1的右端固定，与传感器轴1的左端通过轴承10隔离，支架二3可以相对于传感器轴1的左端转动，支架二3的圆形壳体与传感器轴1同轴心；

励磁铁心4，同轴心的固定在支架一2圆形壳体的内侧，励磁铁心4设有绕组槽，励磁绕组5和补偿绕组6嵌放在励磁铁心4的绕组槽中；

输出铁心7，同轴心的固定在支架二3圆形壳体的外侧，输出铁心7设有绕组槽，输出绕组8嵌放在输出铁心7的绕组槽中；

防尘盖9，与支架一2圆形壳体的右端固定，中间设有圆孔，传感器轴1的右端从防尘盖9中间的圆孔中穿出；

励磁铁心4和输出铁心7之间存在很小的空气隙。

图3为图2中扭矩传感器A-A面的剖视图，励磁绕组5和补偿绕组6嵌放在励磁铁心4的绕组槽中，励磁绕组5和补偿绕组6同为单相绕组，其中补偿绕组为直接短路的方式连接，且励磁绕组5的轴线和补偿绕组6的轴线在空间上相互垂直；输出绕组8嵌放在输出铁心7的绕组槽中，输出绕组8为两组，同为单相绕组，且两组输出绕组的轴线在空间上相互垂直。

图4为图2中扭矩传感器的工作原理图，负载扭矩为零时的接线如图4(a)所示，负载扭矩不为零时的接线如图4(b)所示，图4(b)中的输出绕组相对图4(a)中的初始位置，逆时针转过了角度θ，该角度与施加的负载扭矩存在一一对应关系。

励磁绕组5用D₁-D₂来表示，输出绕组8分别用Z₁-Z₂和Z₃-Z₄来表示，励磁绕组D₁-D₂通入交流电 $u_f=\sqrt{2}{U}_f\sin \mathrm{\ωt}$ 后产生脉振磁通 ${\mathrm{\φ}}_1=\sqrt{2}{\mathrm{\Φ}}_1\sin \mathrm{\ωt},$ 某瞬间方向如图4所示，经由励磁铁心7、空气隙和输出铁心7形成闭合磁路，输出绕组Z₁-Z₂、Z₃-Z₄与φ₁匝链，其匝数同为N，则分别产生感应电势，根据楞次定律，此瞬间输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄产生的感应电势方向如图4所示，感应电势大小为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{Z_1{Z}_2}=-N\frac{d{\mathrm{\φ}}_1}{\mathrm{dt}}\sin (45+\mathrm{\θ})=\sqrt{2}{\mathrm{\Φ}}_1\mathrm{\ω}N\sin (45+\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\ωt}-90)\\ e_{Z_3{Z}_4}=-N\frac{d{\mathrm{\φ}}_1}{\mathrm{dt}}\cos (45+\mathrm{\θ})=\sqrt{2}{\mathrm{\Φ}}_1\mathrm{\ω}N\cos (45+\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\ωt}-90)\end{array}\right.---\left(1\right)$

由于Z₁和Z₃连接，Z₁-Z₂和电阻R串联，Z₃-Z₄和电容C串联，再将末端连接，便形成回路Z₁-Z₂-R-C-Z₄-Z₃-Z₁，回路中的电流为I_R，方向如图4所示，图4中u_R为回路两端的电压，根据基尔霍夫电压定律，由图4可知：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{Z_1{Z}_2}+u_R=i_{R}R\\ e_{Z_3{Z}_4}+i_R\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}=u_R\end{array}\right.---\left(2\right)$

解之得： $i_R=\frac{e_{Z_1{Z}_2}+e_{Z_3{Z}_4}}{R-\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}},$ 如果电阻和电容满足条件 $R=\frac{1}{\mathrm{\ωC}},$ 则 $i_R=\frac{e_{Z_1{Z}_2}+e_{Z_3{Z}_4}}{R+\mathrm{Rj}},$ 将此代入式(2)得：

$u_R=e_{Z_1{Z}_2}-\frac{e_{Z_1{Z}_2}+e_{Z_3{Z}_4}}{1+j}=-\sqrt{2}{\mathrm{\Φ}}_1\mathrm{\ω}N\sin (\mathrm{\ωt}-90)\frac{\cos (45+\mathrm{\θ})+j\sin (45+\mathrm{\θ})}{1+j}={\mathrm{\Φ}}_1\mathrm{\ω}N\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(3\right)$

可知输出电压u_R的相位与扭转角θ成线性关系，通过测量励磁电压和输出电压两路电信号的相位差就可以得到扭转角θ的数值，由于扭转角θ和负载扭矩存在一一对应关系，标定后即可实现对扭矩的精确测量。

图5为图2中扭矩传感器补偿绕组的工作原理图，补偿绕组6用D₃-D₄来表示。传感器轴未受到负载扭矩作用时，输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄的初始位置如图5(a)所示，假设励磁绕组D₁-D₂某瞬间励磁电流方向如图5(a)所示，则产生的脉振磁通Φ₁与输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄匝链，根据楞次定律，两相输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄中的产生感应电流如图5(a)所示，输出绕组电流产生的磁场会对脉振磁通Φ₁起到削弱的效果，再根据磁势守恒原则，励磁绕组D₁-D₂中的电流会增加，用以抵消输出绕组电流产生的去磁效应，保证脉振磁通Φ₁的幅值基本不变，这个过程中传感器中的脉振磁通只有直轴方向，没有与补偿绕组匝链，所以补偿绕组不起作用。

当传感器轴受到负载扭矩作用时，如图5(b)所示，两相输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄相对初始位置转过角度θ，假设励磁绕组D₁-D₂某瞬间励磁电流如图5(b)所示，则产生的脉振磁通Φ₁与输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄匝链，根据楞次定律，输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄中的感应电流如图5(b)所示，输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄中感应电流产生的合成磁通为Φ_s，Φ_s可以分解为直轴分量Φ_sd和交轴分量Φ_sq，根据磁势守恒原则，励磁绕组D₁-D₂中电流增加，用以抵消直轴分量Φ_sd，但无法抵消交轴分量Φ_sq，由于交轴分量Φ_sq的存在，输出绕组Z₁-Z₂和Z₃-Z₄中的感应电动势不再满足式(1)中的关系，破坏了传感器正常工作时的特性。

由于补偿绕组D₃-D₄的存在，且补偿绕组D₃-D₄为短路相连，根据楞次定律，补偿绕组D₃-D₄中会产生如图5(b)所示的感应电流，此感应电流产生磁通Φ_b，用于抵消交轴分量Φ_sq，从而保证传感器输出感应电势不发生畸变。

图6为本发明基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统的工作原理图，新型感应移相式扭矩传感器输出两路正弦信号Signal A和Signal B，两路信号的相位差和负载扭矩存在一一对应关系；两路正弦信号Signal A和Signal B经过整形模块处理后，得到对应的两路方波信号Signal C和Signal D；两路方波信号SignalC和Signal D经过数字处理模块中的逻辑门电路处理后，得到两路方波信号的相位差信号Signal E，相位差信号Signal E和数字处理模块中的高频脉冲信号进行与逻辑处理，如果相位差信号Signal E的4个脉宽中的脉冲数为M，对应的这段时间(t1-t2)内总的脉冲数为N，则两路方波信号Signal C和Signal D的相位差大小为360M/N度，由于相位差值和加载的负载扭矩存在一一对应关系，标定后即可实现对扭矩的精确测量。

图7为图6中数字处理模块的构成图，包括倍频器、门控电路、计数器、锁存器、数据处理单元和一些基本的逻辑门电路。图7中RESET为测量电路初始化信号；DATAA、DATAB分别为励磁电压和输出感应电势两路信号经过整形后的方波信号；CLOCK为高频脉冲信号，由外部有源晶振经过倍频后产生；PD为两路输入信号的相位差；IS为相位差信号PD和高频脉冲信号CLOCK的与逻辑信号；START为两个计数器的计数开始信号；DONE为两个计数器的计数结束、锁存器锁存计数值信号。

信号处理的实现过程如下：(1)RESET初始时为逻辑高电平，计数器1和计数器2清零，寄存器1和寄存器2清零，数据处理单元清零，门控电路输出信号START为逻辑低电平，输出信号DONE为逻辑高电平；(2)RESET反转为逻辑低电平，系统开始工作，当相位差信号PD的第一个上升沿到来的时候，门控电路输出信号START翻转为逻辑高电平，输出信号DONE仍为逻辑高电平，则两个计数器前面的与逻辑门打开，两个计数器同时进行计数，其中计数器1对高频脉冲信号CLOCK进行计数，计数器2对相位差信号PD内的高频脉冲进行计数；(3)当相位差信号PD的第5个(也可以设定为其它数值)上升沿到来的时候，门控电路输出信号DONE翻转为逻辑低电平，关闭两个计数器前面的与逻辑门，两个计数器同时结束计数，并将计数结果存储在对应的寄存器中；(4)数据处理单元开始读取两个寄存器中的计数值，并进行计算，得到两路信号的相位差。

Claims (10)

1.一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的感应移相式扭矩测量系统，包括新型感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器。

2.根据权利要求1所述的感应移相式扭矩传感器，包括：

传感器轴，分为左、中、右三段，中间段的直径小于左端部分的直径和右端部分的直径，传感器轴左端部分的直径小于右端部分的直径；

支架一，与传感器轴的左端为一体式设计，支架一的圆形壳体与传感器轴同轴心；

支架二，与传感器轴的右端固定，与传感器轴的左端通过轴承隔离，支架二可以相对于传感器轴的左端转动，支架二的圆形壳体与传感器轴同轴心；

励磁铁心，同轴心的固定在支架一圆形壳体的内侧，励磁铁心设有绕组槽，励磁绕组和补偿绕组嵌放在励磁铁心的绕组槽中，励磁绕组和补偿绕组同为单相绕组，且励磁绕组的轴线和补偿绕组的轴线在空间上相互垂直；

输出铁心，同轴心的固定在支架二圆形壳体的外侧，输出铁心设有绕组槽，输出绕组嵌放在输出铁心的绕组槽中，输出绕组为两组，同为单相绕组，且两组输出绕组的轴线在空间上相互垂直；

防尘盖，与支架一圆形壳体的右端固定，中间设有圆孔，传感器轴的右端从防尘盖中间的圆孔中穿出。

3.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：励磁铁心和输出铁心之间存在很小的空气隙。

4.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：励磁绕组内为交流电，形成的磁场为脉振磁场，补偿绕组为直接短路的方式连接。

5.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：两组输出绕组中的一组单相绕组与可调电容器串接，另一组单相绕组与可调电阻器串接，之后两组单相绕组再并联后引出。

6.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：分别与两相输出绕组串接的电容值C和电阻值R需满足约束条件ωRC＝1，其中ω为励磁交流电的角频率。

7.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：励磁绕组的轴线与两组输出绕组的轴线，两者初始位置在空间上错开45度角。

8.根据权利要求2所述的感应移相式扭矩传感器，其特征在于：支架一和支架二由硬质铝合金制成，励磁铁心和输出铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成，励磁绕组、补偿绕组和输出绕组均采用直焊性聚氨酯漆包圆铜线。

9.根据权利要求1所述的基于FPGA的中央数字处理器，包括整形模块和数字处理模块，其特征在于：整形模块对传感器输出绕组的电压信号和励磁绕组的电压信号进行处理，转换成两路对应的方波电信号，两路方波电信号存在一定的相位差，且该相位差与传感器轴所加载的扭矩存在对应关系，经过数字处理模块处理后，可以获得精确的相位差值。

10.根据权利要求9所述的数字处理模块，包括外部晶振、倍频电路、基本逻辑门、门控电路、计数电路、锁存器和数据处理单元，其特征在于：

外部晶振通过倍频电路后产生高频脉冲信号；

基本逻辑门用于获取两路方波信号的相位差信号，并将高频脉冲信号和相位差信号进行与逻辑运算；

门控电路用于控制计数电路工作的启停，计数电路分别对相位差内高频脉冲数和一个信号周期内的高频脉冲数进行计数，将计数结果锁存后再传送至数据处理单元；

数据处理单元将计数结果转化为对应的相位差值，相位差值与负载扭矩值存在一一对应关系，标定后即可实现扭矩的精确测量。