CN107490762B

CN107490762B - 基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路

Info

Publication number: CN107490762B
Application number: CN201710673516.6A
Authority: CN
Inventors: 陈德传; 杨波; 张凯楠
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Beijing Zhongzhi Zhongke Technology Development Co ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: CN107490762A

Abstract

本发明涉及一种基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，包括转矩信号处理电路、负载选择电路，具体的连接件的电流检测信号端与上输入电阻的一端连接，上输入电阻的另一端与电流放大器的负输入端连接，转矩放大器的输出端与连接件的电磁转矩信号端连接，连接件的转速检测信号端与下输入电阻的一端连接，下输入电阻的另一端与转速跟随器的正输入端连接，微分放大器的输出端与限流电阻的一端连接，正向比较器的输出端与负向比较器的输出端连接，负载跟随器的输出端与连接件的负载转矩信号端连接。本发明适用于对直流电动机的机械负载转矩进行实时检测的应用场合。本发明电路实时性强、体积小、成本低、通用性好、可靠性高，且易于芯片化。

Description

基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，适用于对直流电动机的机械负载转矩进行实时检测的应用场合。

背景技术

机械负载转矩(也称力矩)是机电系统中的重要参数，特别对于直流电动机控制的机电装备的运行与控制性能具有重要影响，但现有的各类机电系统都无法对动、静态负载转矩实施实时监测，制约了机电系统测控性能的提高。因此，如何对负载转矩进行实时检测是提高机电系统性能的重要前提。现有的常用方法只是针对定常的负载转矩，根据直流电动机稳速运行时电磁转矩与负载转矩相等以及电磁转矩与电枢电流成正比的关系，利用检测稳态时的电枢电流以求取稳态负载转矩。其主要不足之处在于无法检测变速动态过程中的负载转矩与时变的负载转矩，此外，在技术现实上一般都需要采用高性能CPU，结构复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路。该电路利用直流电动机的电枢电流信号与模拟量的转速信号经同步滤波与电路运算后以实时地获取动、静负载转矩信号与电磁转矩信号等电路处理方案，并具有适于检测不同负载类型的负载转矩的选择功能。为提高现代机电装备系统的测控性能奠定重要的技术基础。

本发明电路包括转矩信号处理电路、负载选择电路

转矩信号处理电路包括连接件CN1、电流放大器IC1、转矩放大器IC2、转速跟随器IC3、微分放大器IC4、负载跟随器IC7、上输入电阻R1、上反馈电阻R2、上接地电阻R3、上负端电阻R4、上输出电阻R5、上正端电阻R6、下输入电阻R7、比例电阻R8、微分电阻R9、滤波电阻R10、平衡电阻R11、限流电阻R12、下正端电阻R13、上滤波电容C1、下滤波电容C2、微分电容C3、正电源电容C7、负电源电容C8，连接件CN1的电流检测信号输入端Ui端与上输入电阻R1的一端连接，电流放大器IC1的负输入端IN-端与上输入电阻R1的另一端、上反馈电阻R2的一端、上滤波电容C1的一端连接，电流放大器IC1的正输入端IN+端与上接地电阻R3的一端连接，上接地电阻R3的另一端接地，电流放大器IC1的输出端OUT端与上反馈电阻R2的另一端、上滤波电容C1的另一端、比例电阻R8的一端、上负端电阻R4的一端连接，电流放大器IC1的正电源端Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，电流放大器IC1的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，转矩放大器IC2的负输入端IN-端与上负端电阻R4的另一端、上输出电阻R5的一端连接，转矩放大器IC2的正输入端IN+端与上正端电阻R6的一端连接，上正端电阻R6的另一端接地，转矩放大器IC2的输出端OUT端与上输出电阻R5的另一端、连接件CN1的电磁转矩信号输出端UTe端连接，转矩放大器IC2的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，转矩放大器IC2的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，连接件CN1的转速检测信号输入端Un端与下输入电阻R7的一端连接，转速跟随器IC3的正输入端IN+端与下输入电阻R7的另一端、下滤波电容C2的一端连接，下滤波电容C2的另一端接地，转速跟随器IC3的输出端OUT端与转速跟随器IC3的负输入端IN-端、滤波电阻R10的一端、选择开关K1的常闭端1端连接，转速跟随器IC3的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，转速跟随器IC3的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，滤波电阻R10的另一端与微分电容C3的一端连接，微分放大器IC4的负输入端IN-与微分电容C3的另一端、比例电阻R8的另一端、微分电阻R9的一端连接，微分放大器IC4的正输入端IN+和平衡电阻R11的一端连接，平衡电阻R11的另一端接地，微分放大器IC4的输出端OUT端与微分电阻R9的另一端、限流电阻R12的一端连接，微分放大器IC4的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，微分放大器IC4的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，限流电阻R12的另一端与下正端电阻R13的一端、上共阴二极管D2的阳极、上共阳二极管D4的阴极连接，负载跟随器IC7的正输入端IN+与下正端电阻R13的另一端连接，负载跟随器IC7的输出端OUT端与负载跟随器IC7的负输入端IN-端、连接件CN1的负载转矩信号输出端UTl端连接，负载跟随器IC7的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，负载跟随器IC7的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，正电源电容C7的正极端+端与连接件CN1的正电源供电端VCC端、电路正电源端Vcc端连接，正电源电容C7的负极端-端与连接件CN1的地端GND端、负电源电容C8的正极端+端均接地，负电源电容C8的负极端-端与连接件CN1的负电源供电端VSS端、电路负电源端Vss端连接。

负载选择电路包括正向比较器IC5、负向比较器IC6、选择开关K1、三极管VT1、基极二极管D1、上共阴二极管D2、下共阴二极管D3、上共阳二极管D4、下共阳二极管D5、正零位电阻R14、正分压电阻R15、上拉电阻R16、共阳电阻R17、零速电阻R18、负零位电阻R19、负分压电阻R20、基极电阻R21、集电极电阻R22、共阴电阻R23、正零位电容C4、开关电容C5、负零位电容C6，正向比较器IC5的正输入端IN+端与正零位电容C4的一端、正零位电阻R14的一端、正分压电阻R15的一端连接，正零位电阻R14的另一端与正零位电容C4的另一端均接地，正向比较器IC5的负输入端IN-端与负向比较器IC6的正输入端IN+端、零速电阻R18的一端、开关电容C5的一端连接，开关电容C5的另一端接地，零速电阻R18的另一端与选择开关K1的公共端0端连接，选择开关K1的常开端2端与电路正电源Vcc端连接，正向比较器IC5的正电源Vcc端与正分压电阻R15的另一端、上拉电阻R16的一端、电路正电源端Vcc端连接，正向比较器IC5的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，正向比较器IC5的输出端OUT端与上拉电阻R16的另一端、共阳电阻R17的一端、负向比较器IC6的输出端OUT端、基极二极管D1的阳极连接，共阳电阻R17的另一端与上共阳二极管D4的阳极、下共阳二极管D5的阳极连接，负向比较器IC6的负输入端IN-端与负零位电容C6的一端、负零位电阻R19的一端、负分压电阻R20的一端连接，负零位电容C6的另一端与负分压电阻R20的另一端均接地，负向比较器IC6的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，负向比较器IC6的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端、负分压电阻R20的另一端连接，基极二极管D1的阴极与基极电阻R21的一端连接，基极电阻R21的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的集电极与集电极电阻R22的一端、共阴电阻R23的一端连接，集电极电阻R22的另一端与电路正电源端Vcc端连接，三极管VT1的发射极与电路负电源端Vss端连接，共阴电阻R23的另一端与上共阴二极管D2的阴极、下共阴二极管D3的阴极连接，下共阴二极管D3的阳极与下共阳二极管D5的阴极均接地。

本发明的有益效果如下：

本发明能很好地满足需要实时检测负载转矩的各类直流电动机-机械装备的应用需求，本发明利用直流电动机的电枢电流与模拟量的转速信号，经运算放大器、电压比较器等常规器件，实现对动、静态负载转矩的实时检测，该方法实时性强、体积小、成本低、通用性好、可靠性高，且易于芯片化。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的应用对象示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，包括转矩信号处理电路、负载选择电路。

如图2所示，本发明的应用对象示例图，包括电流传感器CS1、转速传感器SS1、直流电动机M1等，本发明的电路图1中连接件CN1中的电流检测信号Ui就是来自图2中的电流传感器CS1的输出信号U_i＝βi_d，其中的i_d为电枢电流(A)、β为电流变换系数(V/A)，本发明的电路图1中连接件CN1中的转速检测信号Un就是来自图2中的转速传感器SS1的输出信号U_n＝αn，其中的n为转速(rpm)、α为转速变换系数(V/rpm)。

本发明所使用的包括电流放大器IC1、转矩放大器IC2、转速跟随器IC3、微分放大器IC4、正向比较器IC5、负向比较器IC6、负载跟随器IC7、三极管VT1、基极二极管D1、上共阴二极管D2、下共阴二极管D3、上共阳二极管D4、下共阳二极管D5等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：比较器采用LM393，各放大器与跟随器采用TLC系列的运算放大器，三极管采用C9013，二极管采用IN4148等。

本发明中的主要电路参数配合及输入输出关系如下：

R₂C₁＝R₇C₂ (1)

R₁＝R₂ (2)

R₉＞20R₁₀ (9)

式中：C_m为转矩系数(Nm/A)，β为电流变换系数(V/A)。U_i为从连接件CN1中的电流检测信号输入端Ui端输入的电流检测信号(V)，U_i＝βi_d，其中的i_d为电枢电流(A)。U_n为从连接件CN1中的转速检测信号输入端Un端输入的转速检测信号(V)，U_n＝αn，其中的n为转速(rpm)。U_Te为从转矩放大器IC2的输出端OUT端输出到连接件CN1的电磁转矩信号端UTe端的电磁转矩信号(V)。U_Tl0为微分放大器IC4的输出端OUT端输出的负载转矩信号的运算值(V)，因R₉＞＞R₁₀，则有U_Tl0＝C_tT_L,其中的T_L为负载转矩(Nm)。T_e为电磁转矩(Nm)，T_em为最大转矩(Nm)，U_Tem为最大转矩信号(V)，J为电机轴上总转动惯量(Nm·s²)，I_dm为最大电枢电流(A)。U_n0+、U_n0-分别为正、负零速的判别信号(V)，根据实际转速信号U_n信号中存在的噪声大小来设置，工程上当U_n0-≤U_n≤U_n0+时可认为是零速，s为拉式变换因子。

本发明工作过程如下：

本发明的电路图1中连接件CN1中的电流检测信号Ui来自本发明的应用对象示例图2中的电流传感器CS1的输出信号U_i＝βi_d，其中的i_d为电枢电流(A)、β为电流变换系数(V/A)。本发明的电路图1中连接件CN1中的转速检测信号Un来自图2中的转速传感器SS1的输出信号U_n＝αn，其中的n为转速(rpm)、α为转速变换系数(V/rpm)。从连接件CN1中输入的电流检测信号U_i，经电流放大器IC1、转矩放大器IC2的电路运算后获得电磁转矩信号经连接件CN1中的电磁转矩信号输出端UTe端输出；从连接件CN1中输入的转速检测信号U_n经滤波与转速跟随器IC3进行阻抗变换后，与电流检测信号U_i一起经以微分放大器IC4为主的比例、微分运算后输出负载转矩信号的运算值U_Tl0。此外，为了适应于常见的反应性负载和位能性负载的检测需求，设计了由正向比较器IC5、负向比较器IC6、选择开关K1、三极管VT1、基极二极管D1、上共阴二极管D2、下共阴二极管D3、上共阳二极管D4、下共阳二极管D5等为主的负载选择电路。(1)当用于反应性负载转矩的检测时，将选择开关K1打向其常闭端1端，则当转速信号U_n＝αn处于“零位”(实际中，设正、负零速判别信号分别为U_n0+、U_n0-，当转速信号U_n处于U_n0-≤(U_n＝αn)≤U_n0+时，就认为是“零”)时正向比较器IC5、负向比较器IC6的公共输出端OUT端输出高电平，通过上共阴二极管D2与下共阴二极管D3、上共阳二极管D4与下共阳二极管D5分别对正、负极性信号的钳位作用，使负载跟随器IC7的输出为零，而当转速信号U_n处于U_n0+＜(U_n＝αn)＜U_n0-时，经负载跟随器IC7的输出端OUT端将负载转矩信号的运算值U_Tl0经连接件CN1的负载转矩信号输出端UTl端输出。(2)当用于位能性负载转矩的检测时，将选择开关K1打向其常开端2端，使得正向比较器IC5、负向比较器IC6的公共输出端OUT端输出低电平，则上共阴二极管D2、下共阴二极管D3、上共阳二极管D4、下共阳二极管D5均处于阻断状态，不影响负载跟随器IC7对微分放大器IC4输出信号的跟随作用，即，将负载转矩信号的运算值U_Tl0经负载跟随器IC7的跟随输出后，由连接件CN1的负载转矩信号输出端UTl端输出。

Claims

1.基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，包括转矩信号处理电路、负载选择电路，其特征在于：

转矩信号处理电路包括连接件CN1、电流放大器IC1、转矩放大器IC2、转速跟随器IC3、微分放大器IC4、负载跟随器IC7、上输入电阻R1、上反馈电阻R2、上接地电阻R3、上负端电阻R4、上输出电阻R5、上正端电阻R6、下输入电阻R7、比例电阻R8、微分电阻R9、滤波电阻R10、平衡电阻R11、限流电阻R12、下正端电阻R13、上滤波电容C1、下滤波电容C2、微分电容C3、正电源电容C7、负电源电容C8，连接件CN1的电流检测信号输入端Ui端与上输入电阻R1的一端连接，电流放大器IC1的负输入端IN-端与上输入电阻R1的另一端、上反馈电阻R2的一端、上滤波电容C1的一端连接，电流放大器IC1的正输入端IN+端与上接地电阻R3的一端连接，上接地电阻R3的另一端接地，电流放大器IC1的输出端OUT端与上反馈电阻R2的另一端、上滤波电容C1的另一端、比例电阻R8的一端、上负端电阻R4的一端连接，电流放大器IC1的正电源端Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，电流放大器IC1的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，转矩放大器IC2的负输入端IN-端与上负端电阻R4的另一端、上输出电阻R5的一端连接，转矩放大器IC2的正输入端IN+端与上正端电阻R6的一端连接，上正端电阻R6的另一端接地，转矩放大器IC2的输出端OUT端与上输出电阻R5的另一端、连接件CN1的电磁转矩信号输出端UTe端连接，转矩放大器IC2的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，转矩放大器IC2的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，连接件CN1的转速检测信号输入端Un端与下输入电阻R7的一端连接，转速跟随器IC3的正输入端IN+端与下输入电阻R7的另一端、下滤波电容C2的一端连接，下滤波电容C2的另一端接地，转速跟随器IC3的输出端OUT端与转速跟随器IC3的负输入端IN-端、滤波电阻R10的一端、选择开关K1的常闭端1端连接，转速跟随器IC3的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，转速跟随器IC3的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，滤波电阻R10的另一端与微分电容C3的一端连接，微分放大器IC4的负输入端IN-与微分电容C3的另一端、比例电阻R8的另一端、微分电阻R9的一端连接，微分放大器IC4的正输入端IN+和平衡电阻R11的一端连接，平衡电阻R11的另一端接地，微分放大器IC4的输出端OUT端与微分电阻R9的另一端、限流电阻R12的一端连接，微分放大器IC4的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，微分放大器IC4的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，限流电阻R12的另一端与下正端电阻R13的一端、上共阴二极管D2的阳极、上共阳二极管D4的阴极连接，负载跟随器IC7的正输入端IN+与下正端电阻R13的另一端连接，负载跟随器IC7的输出端OUT端与负载跟随器IC7的负输入端IN-端、连接件CN1的负载转矩信号输出端UTl端连接，负载跟随器IC7的正电源Vcc端与电路正电源端Vcc端连接，负载跟随器IC7的负电源端Vss端与电路负电源端Vss端连接，正电源电容C7的正极端+端与连接件CN1的正电源供电端VCC端、电路正电源端Vcc端连接，正电源电容C7的负极端-端与连接件CN1的地端GND端、负电源电容C8的正极端+端均接地，负电源电容C8的负极端-端与连接件CN1的负电源供电端VSS端、电路负电源端Vss端连接；

2.根据权利要求1所述的基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，其特征在于电路参数配合及输入输出关系如下：

R₂C₁＝R₇C₂ (1)

R₁＝R₂ (2)

R₉＞20R₁₀ (9)

式中：C_m为转矩系数，β为电流变换系数，α为转速变换系数；U_i为从连接件CN1中的电流检测信号输入端Ui端输入的电流检测信号，U_i＝βi_d，其中的i_d为电枢电流；U_n为从连接件CN1中的转速检测信号输入端Un端输入的转速检测信号，U_n＝αn，其中的n为转速；U_Te为从转矩放大器IC2的输出端OUT端输出到连接件CN1的电磁转矩信号端UTe端的电磁转矩信号；U_Tl0为微分放大器IC4的输出端OUT端输出的负载转矩信号的运算值，因R₉＞＞R₁₀，则有U_Tl0＝C_tT_L,其中的T_L为负载转矩；T_e为电磁转矩，T_em为最大转矩，U_Tem为最大转矩信号，J为电机轴上总转动惯量，I_dm为最大电枢电流；U_n0+、U_n0-分别为正、负零速的判别信号，根据实际转速信号U_n信号中存在的噪声大小来设置，工程上当U_n0-≤U_n≤U_n0+时可认为是零速，s为拉式变换因子。