CN115014605A - 一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及其测量方法 - Google Patents

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CN115014605A CN202210432250.7A CN202210432250A CN115014605A CN 115014605 A CN115014605 A CN 115014605A CN 202210432250 A CN202210432250 A CN 202210432250A CN 115014605 A CN115014605 A CN 115014605A
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姜阔胜
毛中元
李良和
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Anhui University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及其测量方法，该动态扭矩转速传感器的中间设置有两个中心线共线的扭力轴，两个扭力轴相互靠近的一端之间设有多个扭簧，所述扭簧的两端分别固定在一个扭力轴的一端，当两个扭力轴承受扭矩时，两个扭力轴的扭转相位偏移量在扭簧作用下呈线性变化。本发明通过在扭簧的设置实现两个扭力轴的扭转相位偏移量的线性变化，线性度好、易更换、成本低，提高扭矩转速传感器的测量精度和测量效率。

Description

一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及其测量方法。
背景技术
测量扭矩及转速的传感器种类比较多，从原理上讲，主要可以分为电位计式、应变式、光电式和电磁式。
电位计式扭矩传感器，由于电压值与扭杆的变化成正比，因此施加在扭杆上的扭矩值可以根据电阻值的电压信息变化来测量。其总体成本低，工作原理简单，但采用接触式测量，滑块与螺旋槽等接触模块不断摩擦，产生一定损耗，随着传感器工作，其精度和稳定性的相应降低，工作寿命也将大大缩短。
应变式扭矩传感器，传动轴在受扭力作用时产生机械应变，使贴在轴上的应变片发生相应的变形，从而使应变片的阻值发生改变，输出的电压信号与扭矩成线性关系。但由于采用了应变片，所以只适用于低速或静态轴的扭矩测量上。
光电式扭矩传感器，以光电感应元件为核心部件。当传动轴上加载扭矩时，由光源发出的光的强度会发生相应变化，从而使光电元件的输出电流发生变化。通过测量该变化值即可计算出扭矩值。但其受外界环境的影响较大，生成成本过高。
电磁式扭矩传感器，主体部分为定子和转子，激励线圈和感应接收线圈均布置在定子上，在转轴上固定转子，激励线圈接入一定频率的振荡电流，该线圈相应的产生电磁场随其变化，转子在该磁场中产生相应的感应电流，且随着转子的位置变化而线性变化，故可通过测量线圈电压信号的处理和计算，进而得到扭矩的大小和方向。但其信号难以精确采集与测量。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及基于该传感器的扭矩转速测量方法，能够实现对动态扭矩和转速进行高精度高速测量。
一方面，本发明提供了一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，该传感器包括：两个中心线共线的扭力轴，两个扭力轴相互靠近的一端之间设有多个扭簧，所述扭簧的两端分别固定在一个扭力轴的一端，当两个扭力轴承受扭矩时，两个扭力轴的扭转相位偏移量在扭簧作用下呈线性变化。
在一些实施方式中，两个所述扭力轴相互靠近的一端表面等间距设置有多个安装槽，所述扭簧安装在安装槽内。
在一些实施方式中，两个所述扭力轴相互靠近的一端相互契合。
在一些实施方式中，上述动态扭矩转速传感器，还包括：两个扭力轴相互远离的一端分别设置有一个旋转变压器，所述旋转变压器由内到外依次具有转子、定子和外壳，所述旋转变压器的转子固定安装在扭力轴的圆柱体上。
在一些实施方式中，上述动态扭矩转速传感器，还包括：用于支撑扭力轴和旋转变压器的稳定支撑结构，所述稳定支撑结构包括位于扭力轴两端的轴承座和位于扭力轴两端轴承座之间旋转变压器下的支撑座；
所述旋转变压器的转子与定子非接触式安装且中心重合，旋转变压器的定子安装在外壳上，外壳通过螺栓固定在支撑座上；
所述轴承座和支撑座的高度满足使得两个扭力轴、两个旋转变压器中心线共线的要求。
在一些实施方式中，两个所述旋转变压器同方向、同相位安装，且所述旋转变压器定子与转子的初始相位差为45°、135°、225°或者315°。
在一些实施方式中，以两个扭力轴相互靠近的一端的两个轴承座记为第二轴承座和第三轴承座，所述传感器还包括固设于第二轴承座和第三轴承座上端的顶盖，所述顶盖使得第二轴承座、第三轴承座及顶盖共同组成一体式结构。
在一些实施方式中，上述动态扭矩转速传感器，还包括：与旋转变压器转子输出端相连接的高精度AD信号采集模块，与所述信号采集模块连接的FPGA处理器。
另一方面，本发明提供了一种基于上述动态扭矩转速传感器的扭矩转速测量方法，所述扭矩测量方法包括如下步骤：
将两个旋转变压器分别记为第一旋转变压器和第二旋转变压器，将两个扭力轴分别记为第一扭力轴和第二扭力轴；
对两个旋转变压器分别输入同源激励信号Esinωθ1；
通过信号采集模块分别采集第一旋转变压器输出的第一正弦输出信号和第一余弦输出信号、第二旋转变压器输出的第二正弦输出信号和第二余弦输出信号；
基于第一正弦输出信号和第一余弦输出信号获取针对第一扭力轴的第一实时相位，基于第二正弦输出信号和第二余弦输出信号获取针对第二扭力轴的第二实时相位；
基于第一实时相位和第二实时相位之差获取针对两个扭力轴的扭转相位偏移量；
利用扭转相位偏移量与扭矩大小的线性比例关系，计算出实时的扭矩值。
在一些实施方式中，所述转速测量方法包括如下步骤：
利用卡尔曼滤波算法对旋转变压器的输入和输出数据进行融合，获取转速对应的包络信号；
基于转速的包络信号获取扭力轴的实时转速。
本发明的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及其测量方法，具备如下有益效果：
1、通过设置两个扭力轴及在两个扭力轴上设置扭簧，实现当两个扭力轴承受扭矩时，扭力轴内的扭簧发生线性形变，扭转相位偏移量产生相应线性变化，扭力轴的扭转相位偏移量与扭矩大小成线性比例变化。扭力轴的扭转相位偏移量由扭簧形变产生，扭簧在量程范围内线性度好、易更换、成本低。
2、采用旋转变压器获取扭力轴的实时相位，精度高，易于安装，原理简单，易于分析。动态扭矩转速传感器采用双旋变扭簧式结构，信号由旋转变压器产生，该信号为模拟信号，响应速度快，可以同时测量出扭矩及转速，其测量精度在理论上可以无限提升。
3、本发明对旋转变压器转子输出的两路正余弦输出信号采用高精度AD信号采集模块，以一百兆的采样频率对数据进行实时同步采集，同时，基于FPGA处理器以几十纳秒的速度对信号进行实时的并行分析与处理，实现对动态扭矩转速的高精度高速计算，动态性能好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构爆炸图；
图3为本发明的结构的剖视图；
图4为本发明的旋转变压器结构示意图；
图5为本发明的扭力轴结构示意图；
1、第一轴承座；2.第一旋转变压器；3.扭力轴的圆柱体；4.第一扭力轴；5.第二扭力轴；6、顶盖；7、第二旋转变压器、8、第四轴承座；9、上位机；10、第二支撑座；11、第三轴承座；12、底座；13、第二轴承座、14、FPGA处理器；15.第一支撑座、16、信号采集模块；17、安装槽；18、旋转变压器的外壳；19、旋转变压器的定子；20、旋转变压器的转子；21、扭簧。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器及基于该传感器进行扭矩和转速参数测量的方法，该动态扭矩转速传感器一方面通过扭簧21的设计实现两个扭力轴的扭转相位偏移量在扭簧21作用下呈线性变化，在量程范围内线性度好、易更换、成本低，另一方面，通过旋转变压器测量扭力轴的实时相位，由旋转变压器产生模拟信号，通过模拟信号的分析处理得到扭矩测量结果，实现测量精度在理论上可以无限提升。
本申请实施例提出的动态扭矩转速传感器主要包括两个扭力轴、两个扭力轴之间的扭簧21、两个旋转变压器、信号采集模块16和信号高速分析模块，具体来说，两个扭力轴和两个旋转变压器分别记为第一扭力轴4和第二扭力轴5，第一旋转变压器2和第二旋转变压器7，其中第一扭力轴4和第二扭力轴5中心线共线放置，两个扭力轴相互靠近的两端之间设置多个扭簧21，实现在两个扭力轴在扭矩作用下转动时，两个扭力轴之间的扭转相位偏移量在扭簧21的线性形变作用下产生相应线性变化，当然，为了更好的稳定和容纳扭簧21，可以将两个扭力轴相互靠近的两端契合且设置用于容纳扭簧21的槽，每个扭力轴的实时转角变化通过设置一个旋转变压器进行测量。
下面结合图1-图5对本申请实施例的动态扭矩转速传感器进行详细说明。
如图1、图2和图5所示，本申请实施例的动态扭矩转速传感器，包括：两个中心线共线的扭力轴，两个扭力轴相互靠近的一端之间设有多个扭簧21，所述扭簧21的两端分别固定在一个扭力轴的一端，当两个扭力轴承受扭矩时，两个扭力轴的扭转相位偏移量在扭簧21作用下呈线性变化。具体来说，两个扭力轴分别记为第一扭力轴4和第二扭力轴5，两个扭力轴相互靠近的一端分别记为第一扭力轴4的A端和第二扭力轴5的B端，则扭簧21的一端固连在第一扭力轴4的A端，扭簧21的另一端固连在第二扭力轴5的B端。
现有技术中，对于扭矩的测量，通常采用在弹性轴这种敏感元件上面贴应变片，利用应变原理测量扭矩，或者利用弹性轴获得相位差，进而获取扭矩测量结果，而对于转速的测量需要单独配传感器。但是，在采用弹性轴的情况下同量程下相位差小，精度低。
考虑到同等扭矩下相位差越大越好，本申请中在两个扭力轴上之间设置扭簧21，扭簧21的变形显著大于弹性轴，各项静动态指标都符合传感器的基本要求。
而且，本申请中通过设置两个扭力轴及在两个扭力轴上设置扭簧21，实现当转轴带着两个扭力轴转动时，扭力轴的相位发生同步变化；当两个扭力轴没有承受扭矩时，两个扭力轴的扭转相位偏移量为0°；当两个扭力轴承受扭矩时，扭力轴内的扭簧21会发生线性形变，扭转相位偏移量产生相应线性变化，扭力轴的扭转相位偏移量与扭矩大小成线性比例变化。扭力轴的扭转相位偏移量由扭簧21形变产生，扭簧21在量程范围内线性度好、易更换、成本低。
在一种实现方式中，如图5所示，两个扭力轴相互靠近的一端表面等间距设置有多个安装槽17，所述扭簧21安装在安装槽17内。
本申请实施例中，通过设置安装槽17实现扭簧21稳定容纳于安装槽17内，优选的，在两个扭力轴相互靠近的一端表面等间距设置有4个安装槽17，每个安装槽17内设置有一个扭簧21，4个扭簧21等间距分布，实现在扭力轴转动过程中的稳定。
在一种实现方式中，如图3所示，为了实现两个扭力轴转动过程中的稳定性，在两个扭力轴相互靠近的一端相互契合。
如图1、图2和图4所示，上述动态扭矩转速传感器还包括：两个扭力轴相互远离的一端分别设置有一个旋转变压器，所述旋转变压器由内到外依次具有转子20、定子19和外壳18，所述旋转变压器的转子20固定安装在扭力轴的圆柱体3上。
对于实时相位的获取，一般都是采用电磁式、光电式传感器，信号离散、精度低。本申请实施例中，采用旋转变压器获取扭力轴的实时相位，精度高，易于安装，原理简单，易于分析。
将两个扭力轴分别记为第一扭力轴4和第二扭力轴5，具体来说，本实施例中，上述两个扭力轴相互远离的一端分别设置有一个旋转变压器，实现两个旋转变压器和两个扭力轴的结构关系为：第一扭力轴4的一端设置有一个旋转变压器(记为第一旋转变压器2)，第一扭力轴4的另一端靠近第二扭力轴5的一端，第二扭力轴5的另一端设有另一个旋转变压器(记为第二旋转变压器7)。旋转变压器的转子20固定安装在扭力轴的圆柱体3上，即两个扭力轴的圆柱体3转动时，带动旋转变压器的转子20转动，在旋转变压器的定子19输入激励信号的情况下，旋转变压器的转子20分别输出一个正弦信号和一个余弦信号。
基于第一旋转变压器2的输入输出信号进行分析可以获取第一扭力轴4的实时相位，基于第二旋转变压器7的输入输出信号进行分析可以获取第二扭力轴5的实时相位，进而基于两个扭力轴的实时相位差得到实时扭矩。具体来说，实时相位的计算过程包括：假设旋转变压器输入同源激励信号Esinωθ1，分别得到两路正余弦输出信号αEsinωθ1sinθ和αEsinωθ1cosθ。正弦信号αEsinωθ1sinθ随着扭力轴的转动做正弦变化，余弦信号αEsinωθ1cosθ随着扭力轴的转动做余弦变化。正弦信号和余弦信号进行简单的除法操作，消去衰减α和激励信号Esinωθ1，得到θ的正切值，继而得到转子20与定子19的角度值，即扭力轴的实时相位。
本实施例提供的动态扭矩转速传感器为双旋变扭簧21式结构，信号由旋转变压器产生，该信号为模拟信号，响应速度快，可以同时测量出扭矩及转速，其精度在理论上可以无限提升。
在一种优选实施方式中，如图1和图2所示，上述动态扭矩转速传感器还包括：用于支撑扭力轴和旋转变压器的稳定支撑结构，该稳定支撑结构包括位于扭力轴两端的轴承座和位于扭力轴两端轴承座之间旋转变压器下的支撑座；
旋转变压器的转子20与定子19非接触式安装且中心重合，旋转变压器的定子19安装在外壳18上，外壳18通过螺栓固定在支撑座上，
轴承座和支撑座的高度满足使得两个扭力轴、两个旋转变压器中心线共线。
本申请实施例中，为了实现两个扭力轴和两个旋转变压器的中心线共线和转动稳定性，为每个扭力轴在扭力轴的两端分别设置1个轴承座，在旋转变压器下设置支撑座，实现两个旋转变压器、两个扭力轴、四个轴承座和2个支撑座的结构关系为：第一扭力轴4的一端设置有第一轴承座1，第一扭力轴4的另一端设置有第二轴承座13，第二扭力轴5的一端设置有第三轴承座11，第二扭力轴5的一端设置有第四轴承座8，在第一轴承座1和第二轴承座13之间的第一扭力轴4的圆柱体3表面套设第一旋转变压器2的转子20，第一旋转变压器2的定子19与转子20非接触式安装，定子19安装在外壳18上，外壳18通过螺栓固定在第一旋转变压器2下面的第一支撑座15上，在第三轴承座11和第四轴承座8之间的第二扭力轴5的圆柱体3表面套设第二旋转变压器7的转子20，第二旋转变压器7的定子19与转子20非接触式安装，定子19安装在外壳18上，外壳18通过螺栓固定在第二旋转变压器7下面的第二支撑座10上。两个扭力轴通过两个扭力轴相互靠近的一端的轴承座实现稳定契合，即第二轴承座13和第三轴承座11的设置实现第一扭力轴4和第二扭力轴5相互靠近的一端的稳定契合。
本实施例中旋转变压器转子20与定子19采用非接触安装，使用寿命长。
在一种实施方式中，上述动态扭矩转速传感器设置有底座12，将轴承座和支撑座下端固定在底座12上，实现支撑整个传感器及整合传感器全部部件。
在一种优选实施方式中，两个所述旋转变压器同方向、同相位安装，且所述旋转变压器定子19与转子20的初始相位差为45°、135°、225°或者315°。
本申请实施例中，旋转变压器内的定子19与转子20初始相位差设置为45°、135°、225°或者315°，避免零点误差。
在一种优选实施方式中，为了实现两个扭力轴相互靠近的一端的两个轴承座的稳定性，位于两个扭力轴相互靠近的一端的两个轴承座上端固设有顶盖6，即在第二轴承座13和第三轴承座11的上端设置有顶盖6，顶盖6的两端分别固定在第二轴承座13和第三轴承座11的上端。
在一种优选实施方式中，上述动态扭矩转速传感器还包括：与旋转变压器转子20输出端电连接的高精度AD信号采集模块16，与所述信号采集模块16连接的FPGA处理器14。
本申请实施例中，对旋转变压器转子20输出的两路正余弦输出信号采用高精度AD信号采集模块16，以一百兆的采样频率对数据进行实时同步采集，同时，基于FPGA处理器14以几十纳秒的速度对信号进行实时的并行分析与处理，实现对动态扭矩转速的高精度高速计算，动态性能好。对于该扭矩和转速的测量结果可以上传到上位机9和/或通过以太网实时上传到物联网，用户可以通过物联网客户端实时远程监控。
本申请实施例提供了一种基于上述动态扭矩转速传感器的扭矩转速测量方法，具体来说，基于上述动态扭矩转速传感器的扭矩测量方法包括如下步骤：
将两个旋转变压器分别记为第一旋转变压器2和第二旋转变压器7，将两个扭力轴分别记为第一扭力轴4和第二扭力轴5；
对两个旋转变压器分别输入同源激励信号Esinωθ1；
通过信号采集模块16分别采集第一旋转变压器2输出的第一正弦输出信号和第一余弦输出信号、第二旋转变压器7输出的第二正弦输出信号和第二余弦输出信号；
基于第一正弦输出信号和第一余弦输出信号获取针对第一扭力轴4的第一实时相位，基于第二正弦输出信号和第二余弦输出信号获取针对第二扭力轴5的第二实时相位；
基于第一实时相位和第二实时相位之差获取针对两个扭力轴的扭转相位偏移量；
利用扭转相位偏移量与扭矩大小的线性比例关系，计算出实时的扭矩值。
本申请实施例中，旋转变压器输入同源激励信号Esinωθ1，分别得到正弦输出信号αEsinωθ1sinθ和余弦输出信号αEsinωθ1cosθ。两个旋转变压器的正弦信号和余弦信号同时通过高精度AD信号采集模块16，以一百兆的采样频率对数据进行实时同步采集，FPGA处理器14对信号进行高速除法操作，再通过CORDIC算法分别计算两个旋转变压器转子20与定子19的角度正切值，进而获得两个扭力轴的实时相位；将两个扭力轴的实时相位相减，得到扭转相位偏移量；通过扭转相位偏移量与扭矩大小成线性比例关系，计算出实时的扭矩值。
其中，基于上述动态扭矩转速传感器的转速测量方法包括如下步骤：
利用卡尔曼滤波算法对旋转变压器的输入和输出数据进行融合，获取转速对应的包络信号；
基于转速的包络信号获取扭力轴的实时转速。
本申请实施例中，为了测量扭力轴的动态转速，将旋转变压器的输入和输出描述成线性状态系统，采用卡尔曼滤波，通过状态预测、误差协方差计算、卡尔曼增益计算、状态预测更新和误差协方差更新进行迭代来估计旋转变压器线性系统的状态，获得转速对应的包络信号，再计算出周期，得到扭力轴的实时转速。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，包括：两个中心线共线的扭力轴，两个扭力轴相互靠近的一端之间设有多个扭簧，所述扭簧的两端分别固定在一个扭力轴的一端，当两个扭力轴承受扭矩时，两个扭力轴的扭转相位偏移量在扭簧作用下呈线性变化。
2.根据权利要求1所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，两个所述扭力轴相互靠近的一端表面等间距设置有多个安装槽，所述扭簧安装在安装槽内。
3.根据权利要求2所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，两个所述扭力轴相互靠近的一端相互契合。
4.根据权利要求1所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，还包括：两个扭力轴相互远离的一端分别设置有一个旋转变压器，所述旋转变压器由内到外依次具有转子、定子和外壳，所述旋转变压器的转子固定安装在扭力轴的圆柱体上。
5.根据权利要求4所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，还包括用于支撑扭力轴和旋转变压器的稳定支撑结构，所述稳定支撑结构包括位于扭力轴两端的轴承座和位于扭力轴两端轴承座之间旋转变压器下的支撑座；
所述旋转变压器的转子与定子非接触式安装且中心重合，旋转变压器的定子安装在外壳上，外壳通过螺栓固定在支撑座上；
所述轴承座和支撑座的高度满足使得两个扭力轴、两个旋转变压器中心线共线的条件。
6.根据权利要求3所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，两个所述旋转变压器同方向、同相位安装，且所述旋转变压器定子与转子的初始相位差为45°、135°、225°或者315°。
7.根据权利要求4所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，以两个扭力轴相互靠近的一端的两个轴承座记为第二轴承座和第三轴承座，所述传感器还包括固设于第二轴承座和第三轴承座上端的顶盖。
8.根据权利要求4所述的一种双旋变扭簧式动态扭矩转速传感器，其特征在于，还包括：与旋转变压器转子输出端相连接的高精度AD信号采集模块，与所述信号采集模块连接的FPGA处理器。
9.基于权利要求1-8任一所述传感器的扭矩转速测量方法，其特征在于，所述扭矩测量方法包括如下步骤：
将两个旋转变压器分别记为第一旋转变压器和第二旋转变压器，将两个扭力轴分别记为第一扭力轴和第二扭力轴；
对两个旋转变压器分别输入同源激励信号Esinωθ1；
通过信号采集模块分别采集第一旋转变压器输出的第一正弦输出信号和第一余弦输出信号、第二旋转变压器输出的第二正弦输出信号和第二余弦输出信号；
基于第一正弦输出信号和第一余弦输出信号获取针对第一扭力轴的第一实时相位，基于第二正弦输出信号和第二余弦输出信号获取针对第二扭力轴的第二实时相位；
基于第一实时相位和第二实时相位之差获取针对两个扭力轴的扭转相位偏移量；
利用扭转相位偏移量与扭矩大小的线性比例关系，计算出实时的扭矩值。
10.根据权利要求9所述的扭矩转速测量方法，其特征在于，所述转速测量方法包括如下步骤：
利用卡尔曼滤波算法对旋转变压器的输入和输出数据进行融合，获取转速对应的包络信号；
基于转速的包络信号获取扭力轴的实时转速。
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