CN113237592B - 一种旋转轴扭矩测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转轴扭矩测试系统，包括供电电路、应变电路、放大电路、采集模块、接收器,应变电路将应变信号转换为微弱电压信号，放大电路对所述微弱电压信号进行放大，采集模块将放大后的电压信号转换为数字信号，所述接收器对数字信号进行无线传输并转换成相应的扭矩值，所述供电电路并联可调电容回路，所述可调电容回路为副边并联谐振补偿，使得可调电容和副边电感处于谐振状态，输出稳定的恒流源。本发明中的旋转轴扭矩测试系统输出电流等效为恒流源，电路输出特性好，功率因素高，可为放大回路提供稳定的电源，解决了励磁供电电源不稳定的问题,提升扭矩测试的准确性。

Description

一种旋转轴扭矩测试系统
技术领域
本发明涉及扭矩测试技术领域，特别涉及一种旋转轴扭矩测试系统。
背景技术
随着扭矩测试成为汽车传动系统测试和标定的重要内容，处于旋转状态的扭矩测试系统提供能量的方法主要有两种：滑环供电，电池供电。而滑环供电的碳积、电池供电的电能有限使得这两种供电电路不能满足扭矩测试及测试工况的要求。具体的，滑环供电采用电刷与集电环滑动接触的方式，在使用上存在诸如滑动磨损，接触火花，碳积和不安全裸露导体等局限；电池供电存在电能有限以及对供电环境要求高等一系列缺点和不足，使得这两种供电方式均不能满足汽车传动系统扭矩测试的需要，所以研究一种为汽车传动系统中旋转轴扭矩测试系统供电的方式尤为重要。因此，非接触感应供电技术的发展为旋转轴扭矩测试供电提供了新的方向。
现有技术当中，汽车扭矩测试系统非接触感应供电电路的输出特性直接决定了测试系统的可靠性和稳定性，从而直接影响扭矩测试的准确度。非接触式感应供电通过耦合技术，实现了无线供电，但是，因系统测试、标定的工况比较恶劣，且使用频次过多，常会出现励磁等供电电源不稳定等问题，如阻抗增大、无功功率增大、功率因素降低，进而使得扭矩测试出现扭矩超差、零点漂移等问题，影响扭矩测试的准确度。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种旋转轴扭矩测试系统，其包括供电电路、应变电路、放大电路，采集模块，接收器。
所述供电电路包括非接触的原边绕组、副边绕组以及与所述副边绕组并联设置的可调电容，所述原边绕组与副边绕组电感耦合；
所述应变电路连接所述副边绕组，所述应变电路用于将副边绕组产生的应变信号输出为电压信号；
所述放大电路与所述应变电路连接，所述放大电路用于将所述电压信号放大；
采集模块：所述采集模块连接所述放大电路，所述采集模块用于将放大后的电压信号转换为数字信号；
接收器：所述接收器与所述采集模块连接，所述接收器用于将所述数字信号转换为相应的扭矩值。
进一步的，还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接所述可调电容的两端，所述阻抗匹配电路用于提供适配的电容，以使所述可调电容基于阻抗匹配电路实现工况自适应电容可调。
进一步的，所述阻抗匹配电路包括三极管、与所述三极管的基极连接的阻抗匹配模块以及与所述三极管的发射极连接的接地电容，所述三极管的集电极连接至所述可调电容的正极，所述三极管的发射极连接至所述可调电容的负极。
进一步的，所述应变电路由半桥应变片组成，构成全桥回路，所述应变电路的第一输出端与所述放大电路的同向输入端连接，所述应变电路的第二输出端与所述放大电路的反向输入端连接。
进一步的，所述放大电路为差动电路，所述放大电路的输出端与所述采集模块连接。
进一步的，所述采集模块通过模数转换将所述放大电路的输出端输出的电压信号转换为数字信号。
进一步的，所述接收器还包括无线传输模块，对所述数字信号进行接收、转换，输出相对应的扭矩值。
进一步的，所述阻抗匹配模块由阻抗、灵敏度系数和自适应电容形成映射关系，所述映射关系是由工况模拟、测试系统标定调试和整车实测结果共同建立的对应关系，以使工况负载匹配自适应电容，使得供电电路保持谐振状态。
进一步的，所述旋转轴扭矩测试系统还包括可调式工装，用于对所述可调电容回路进行电容调节。
进一步的，所述可调式工装包括丝杠、与所述丝杠一端连接的顶板、与所述丝杠另外一端连接的基座、以及限制丝杠移动的锁紧装置，所述顶板与所述基座通过丝杠进行相对移动。
与现有技术相比，通过在供电电路的副边绕组上并联可调电容，采用副边谐振补偿，优化松耦合状态，克服漏感，使得可调电容和副边电感处于谐振状态，此时，副边等效为纯电导，输出电流等效为恒流源，电路输出特性好，功率因素高，可为放大回路提供稳定的电源，解决了励磁等供电电源不稳定等问题，具有很好的工况适用性，提升扭矩测试的准确性。
附图说明
图1为本发明第一实施例中旋转轴扭矩测试系统的结构框图；
图2为本发明第一实施例中旋转轴扭矩测试系统的电路图；
图3为本发明第二实施例中可调式工装的结构示意图。
主要部件符号说明：
供电电路 10 应变电路 20
放大电路 30 采集模块 40
接收器 50 阻抗匹配电路 60
可调电容 11 可调式工装 70
顶板 71 螺母 72
丝杠 73 基座 74
车架 75 螺栓 76
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图2，所示为本发明第一实施例中的一种旋转轴扭矩测试系统，扭矩测试系统主要包括供电电路、应变电路、放大电路，采集模块，接收器。
供电电路10对系统进行供电，应变电路20将应变信号转换为微弱电压信号，放大电路30对所述微弱电压信号进行放大，采集模块40用于将放大后的电压信号转换为数字信号，所述接收器50对数字信号进行无线传输并转换成相应的扭矩值，所述供电电路并联可调电容回路，所述可调电容回路为副边谐振补偿，可调电容和副边电感处于谐振状态。
具体的，供电电路10包括非接触的原边绕组、副边绕组以及与所述副边绕组并联设置可调电容，所述原边绕组与副边绕组电感耦合。
非接触原、副边绕组耦合的互感模型如图2所示，忽略原边绕组的电阻。图中， U v、 U 0分别表示非接触感应供电系统的原、副边绕组电压， L p、 L c分别表示原、副边电感， M表示原、副边绕组的互感系数， I Lp、 I Ls为原、副边绕组电流，其方向如图所示，所以有：
谐振补偿
若副边没有补偿电路副边绕组直接与电阻R的负载相连，则副边输出电压 U 01、输出电流 I 0以及输出功率 P 0，分别为：
系统输出电压和电流随负载大小的变化而变化，限制了功率输出。为此，必须对副边绕组进行有效的补偿设计，使得系统达到谐振状态，这就是谐振补偿。根据LC回路特点，补偿回路有电容串联补偿和电容并联补偿两种方式。考虑到串联补偿需要破坏现有扭矩测试系统，这里考虑并联补偿，如图2中 C s所示。
谐振状态指的是补偿电容 C s与副边电感在谐振频率（）处，副边等效为纯电导，输出电流与负载无关，等效于输出电流为恒流源。
在本实施例中，扭矩测试系统还包括阻抗匹配电路60，所述阻抗匹配电路60连接所述可调电容的两端，所述阻抗匹配电路60用于提供适配的电容，以使所述可调电容基于阻抗匹配电路60实现工况自适应电容可调。
阻抗匹配电路包括三极管、与所述三极管的基极连接的阻抗匹配模块以及与所述三极管的发射极连接的接地电容，所述三极管的集电极连接至所述可调电容的正极，所述三极管的发射极还连接至所述可调电容的负极。
所述阻抗匹配模块由阻抗、灵敏度系数和自适应电容形成映射关系，所述映射关系是由工况模拟、测试系统标定调试和整车实测结果共同建立的对应关系，以使工况负载匹配自适应电容，使得供电电路保持谐振状态。
其中应变电路20由半桥应变片组成全桥回路实现应变信号和微弱电压信号的转换，放大电路30通过放大器差动电路对电压信号进行放大，具体的，所述应变电路的第一输出端与所述放大电路30的同向输入端连接，所述应变电路20的第二输出端与所述放大电路30的反向输入端连接。
所述放大电路30为差动电路，所述放大电路30的输出端与所述采集模块40连接。
采集模块40通过模数转换将电压信号转换为数字信号，并经接收器50无线传输模块进行传输和接收，转换成相应的扭矩值，供电电路10为系统各模块提供工作电压（5-12V）、工作电流（10-100mA），为低功耗模块。
可调电容11并联在供电电路10上，采用副边谐振补偿，优化松耦合状态，克服漏感，使得可调电容11和副边电感处于谐振状态，此时，副边等效为纯电导，输出电流等效为恒流源，电路输出特性好，功率因素高，可为放大回路提供稳定的电源。
在本实施例中，可调电容11具有自适应性，可以满足扭矩测试的各种复杂工况，可调电容11采用副边并联补偿的电路设计，和串联补偿相比，不需要破坏测试系统的现有电路布置，电路实现更为简单，维修和检测成本低。可调电容11可以根据工况负载实现工况自适应电容寻优和匹配调节。
具体的，电容自适应调节是基于阻抗匹配电路60实现工况自适应电容可调，其原理是工况负载作为输入信号进入阻抗匹配电路，匹配自适应电容，通过二极管的滤波带通环节，实现Lc自感和自适应电容Cs达到谐振状态。
阻抗匹配模块是阻抗、灵敏度系数和自适应电容的一个映射关系，通过寻优自适应匹配，为工况负载匹配一个自适应的电容，使得LC回路处于谐振状态。
进一步的，所述映射关系是一个对应的关系，其基于工况模拟、测试系统标定调试和整车实测结果所建立的对应关系，其对应关系如下式所示：
S为灵敏度系数， Z为工况阻抗， T clu为离合器扭矩， N slip为滑摩转速， A、 B、 C、 D、 E、 F为拟合系数，寻优自适应匹配是通过上式不断迭代得到可作为谐振补偿的可调电容值，其对应的 A、 B、 C、 D、 E、 F等拟合系数作为该工况负载下的特征参数。
请查阅图3所示为本发明第二实施例，本实施例与第一实施例不同之处在于：旋转轴扭矩测试系统还包括一个可调式工装70，用于对所述可调电容回路进行电容调节，可调电容11通过可调式工装70进行调节，可调式工装70包括：丝杠73、与所述丝杠73一端连接的顶板71、与所述丝杠73另外一端连接的基座74、以及限制丝杠73移动的锁紧装置，所述顶板71与所述基座74通过丝杠73进行相对移动，基座74固定在车架75上。
具体的，所述基座74内设有与所述丝杠73配合的螺纹孔，所述丝杠73与所述基座74通过螺纹配合连接，所述顶板71通过第一连接件固定在所述丝杠73的一端，所述顶板71通过丝杠73在所述基座74上进行相对移动。
在本实施例中，第一连接件设置为螺栓76，顶板71通过螺栓76与丝杠73固定连接，该连接方式便于顶板71进行拆卸，更换不同规格的顶板71。
在本实施例中，锁紧装置设置为螺母72，螺母72旋入丝杠73，位于顶板71与基座74之间，当顶板71通过丝杠73移动到指定位置时，螺母72可进行预紧固定，防止丝杠73转动而改变顶板71的高度，限制丝杠73与基座74发生位移。
在本实施例中，可调式工装70，利用螺栓76与顶板71固定连接，顶板71与丝杠73固定，基座74通过滑块与车架连接，必要时使用螺母72固定丝杠位置，防止其转动。转动顶板71，根据车架和安装空间，可调节顶板71至合适高度，采用可调式丝杠结构，满足不同支撑高度的要求，克服传统工装不通用的局限性，工装拆卸简单，方便测试系统在整车、台架上的安装。
综上，本发明提供的旋转轴扭矩测试系统利用互感模型研究原、副边补偿，供电电路上并联一可调电容回路，采用副边谐振补偿，可调电容和副边电感处于谐振状态，改善了副边电路的输出特性，提高了原边电路的功率因素，解决了励磁等供电电源不稳定等问题，具有很好的工况适应性提升扭矩测试的准确性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，包括：
供电电路：所述供电电路包括非接触的原边绕组、副边绕组以及与所述副边绕组并联设置的可调电容，所述原边绕组与副边绕组电感耦合；
应变电路：所述应变电路连接所述副边绕组，所述应变电路用于将副边绕组产生的应变信号输出为电压信号；
放大电路：所述放大电路与所述应变电路连接，所述放大电路用于将所述电压信号放大；
采集模块：所述采集模块连接所述放大电路，所述采集模块用于将放大后的电压信号转换为数字信号；
接收器：所述接收器与所述采集模块连接，所述接收器用于将所述数字信号转换为相应的扭矩值；
还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接所述可调电容的两端，所述阻抗匹配电路用于提供适配的电容，以使所述可调电容基于阻抗匹配电路实现工况自适应电容可调，所述阻抗匹配电路包括三极管、与所述三极管的基极连接的阻抗匹配模块以及与所述三极管的发射极连接的接地电容，所述三极管的集电极连接至所述可调电容的正极，所述三极管的发射极连接至所述可调电容的负极，所述阻抗匹配模块由阻抗、灵敏度系数和自适应电容形成映射关系，所述映射关系是由工况模拟、测试系统标定调试和整车实测结果共同建立的对应关系，以使工况负载匹配自适应电容，使得供电电路保持谐振状态，其中，匹配自适应电容公式为：
Cs＝S·(A·tan Z+B·sin-1Z+C)
Figure FDA0004112080190000011
S为灵敏度系数，Z为工况阻抗，Tclu为离合器扭矩，Nslip为滑摩转速，A、B、C、D、E、F为拟合系数。
2.根据权利要求1所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述应变电路由半桥应变片组成，构成全桥回路，所述应变电路的第一输出端与所述放大电路的同向输入端连接，所述应变电路的第二输出端与所述放大电路的反向输入端连接。
3.根据权利要求2所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述放大电路为差动电路，所述放大电路的输出端与所述采集模块连接。
4.根据权利要求3所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述采集模块通过模数转换将所述放大电路的输出端输出的电压信号转换为数字信号。
5.根据权利要求1所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述接收器还包括无线传输模块，对所述数字信号进行接收、转换，输出相对应的扭矩值。
6.根据权利要求1-5任一项所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述旋转轴扭矩测试系统还包括可调式工装，用于对所述可调电容回路进行电容调节。
7.根据权利要求6所述的旋转轴扭矩测试系统，其特征在于，所述可调式工装包括丝杠、与所述丝杠一端连接的顶板、与所述丝杠另外一端连接的基座、以及限制丝杠移动的锁紧装置，所述顶板与所述基座通过丝杠进行相对移动。
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