0 引言

在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，扭矩是眾多機(jī)械測(cè)量中的一個(gè)重要的參數(shù)。由于在這類系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部件高速旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法，使得扭矩測(cè)量中的傳感器供電和數(shù)據(jù)傳輸過程比較困難。目前，傳統(tǒng)的扭矩測(cè)試從供電方式上可分為接觸式和非接觸式供電，前者常采用導(dǎo)電滑環(huán)來實(shí)現(xiàn)，但由于其采用摩擦接觸，因此不可避免的產(chǎn)生發(fā)熱和磨損，影響了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及滑環(huán)的使用壽命，還有些系統(tǒng)采用電池供電，而電池儲(chǔ)能有限，給測(cè)量帶來不便，因此，非接觸式供電成為解決以上問題的有效方法。目前常用的非接觸式供電有光電能傳輸，射頻電能傳輸和感應(yīng)電能傳輸?shù)?，由于光電能損耗大，射頻電能傳輸受天線影響較大，因此本文選用了感應(yīng)電能傳輸方式。

另外，本系統(tǒng)采用無線傳輸技術(shù)來傳輸傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

扭矩測(cè)量主要有三個(gè)環(huán)節(jié)：信號(hào)的拾取，信號(hào)的處理(含信號(hào)傳輸)及信號(hào)的顯示和記錄。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，本文采用的扭矩傳感器是以金屬材料為敏感元件的專用測(cè)扭應(yīng)變片。由物理學(xué)可知大多數(shù)金屬在彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)變與電阻變化率成線性關(guān)系，應(yīng)用這一金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，將應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘在被測(cè)的彈性軸上組成應(yīng)變橋，給應(yīng)變橋供電，當(dāng)彈性軸受扭時(shí)應(yīng)變橋輸出同扭矩大小成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。將所得的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大，使其電壓范圍符合MCU 片內(nèi)AD采樣要求，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入編碼器，在對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行編碼后送入發(fā)射模塊。接收模塊接收到測(cè)量信號(hào)后經(jīng)過解碼器送入MCU進(jìn)行處理顯示。整個(gè)發(fā)射部分被固定在被測(cè)軸上，由靜止端的變壓器初級(jí)繞組感應(yīng)供電。

2 非接觸供電

由于扭矩檢測(cè)部分處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此本系統(tǒng)采用感應(yīng)電能傳輸技術(shù)。這種傳輸方式應(yīng)用變壓器進(jìn)行能量傳輸，與傳統(tǒng)的變壓器不同的是，這里的變壓器是將初次級(jí)繞組分開，分別處于不同的磁芯上，交流電源信號(hào)從固定的初級(jí)繞組通過交變磁場(chǎng)感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)的次級(jí)繞組，經(jīng)過整流穩(wěn)壓后為軸上電路供電。旋轉(zhuǎn)變壓器的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

變壓器初級(jí)和次級(jí)磁芯均選擇具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的罐形磁芯，將初次級(jí)繞組分別繞于各自的骨架上，線圈的軸線與旋轉(zhuǎn)軸重合。變壓器的初級(jí)固定在支架上，而次級(jí)固定在旋轉(zhuǎn)軸上，初次級(jí)間距一般約0.15 mm。對(duì)于變壓器來說，交變電流的頻率越高其體積越小，為了便于安裝，可將頻率提高，降低變壓器的體積。磁芯材料直接影響到變壓器性能，這里選擇飽和磁感應(yīng)度較高的鐵氧體材料R2KB，其最高使用頻率為150 kHz。由于這種變壓器初次級(jí)分離，耦合系數(shù)較低，因此常通過提高電源效率及利用電容容抗補(bǔ)償漏電抗等方法提高感應(yīng)電源的傳輸功率。

變壓器初級(jí)輸入的交流信號(hào)采用100 kHz 的方波信號(hào)，由555 產(chǎn)生，但由于555 輸出的電流非常小，必須對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行功率放大才能給變壓器提供足夠的激磁電流。這里采用14 W的HI-F1音頻功率放大器TDA2030AT，它采用TO-220 封裝，外圍元件少，性能優(yōu)異，具有頻率響應(yīng)寬和速度快等特點(diǎn)，應(yīng)用電路如圖3 所示。

值得注意的是，要想讓功放電路輸出較大功率，必須注意阻抗匹配問題，只有在TDA2030 負(fù)載阻抗在4~16 之間，電路才能達(dá)到最佳阻抗匹配，為此可減小變壓器的初級(jí)繞組電阻，但這樣會(huì)使得初次級(jí)繞組的電流增大而增加銅損和鐵損，致使變壓器的效率降低。因此，變壓器的輸出效率和功放的輸出功率存在一定的矛盾，要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

變壓器次級(jí)輸出的是交流信號(hào)，為了給軸上的應(yīng)變橋及調(diào)理電路供電，需將交流信號(hào)整流并穩(wěn)壓，這里采用穩(wěn)壓管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流電。

3 信號(hào)調(diào)理

由于應(yīng)變橋輸出的扭矩測(cè)量電壓信號(hào)通常為mV 級(jí)，并且存在一定的共模干擾信號(hào)，因此有必要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路須具備較高的共模抑制比，高穩(wěn)定性，低零漂，高精度等特點(diǎn)，因此這里選擇采用儀表放大器AD623，它具有低功耗，高輸入阻抗，優(yōu)良的共模抑制等特點(diǎn)。調(diào)理電路如圖4 所示。

AD623增益大小G 由電阻R1 決定，根據(jù)公式R1=100 k贅/(G-1)來取值，由于本設(shè)計(jì)中MCU 選取的為AD滋C812，內(nèi)嵌12 位AD 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)提供2.5 V基準(zhǔn)電壓，當(dāng)AD 的基準(zhǔn)電壓選擇片內(nèi)的2.5 V電壓時(shí)，其有效的模擬電壓輸入為0~2.5 V，為了保證輸入的電壓在這個(gè)范圍之內(nèi)，放大電路的增益選擇為51，因此R1 選擇2 k贅的精密電阻。OP491組成電壓跟隨器，保證了模擬輸入前端的輸出阻抗很小。為了避免不合要求的電壓損壞AD轉(zhuǎn)換器，使用兩個(gè)二極管保證AD的輸入電壓在0~5 V范圍內(nèi)。

4 無線收發(fā)電路

發(fā)射接收示意圖如圖5所示，應(yīng)變橋輸出的電信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的十二位并行數(shù)據(jù)依次送入編碼器編碼后由發(fā)射模塊發(fā)射至接收模塊。接收到的信號(hào)經(jīng)過解碼后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到扭矩值并顯示。本系統(tǒng)采用的是數(shù)字信號(hào)傳輸，雖然模擬信號(hào)非常便于傳輸，但由于其對(duì)干擾信號(hào)十分敏感，容易在傳輸過程中造成幅值和相位的畸變，而數(shù)字信號(hào)的對(duì)這些噪聲不敏感，因此抗干擾性較強(qiáng)。

本文中的編碼器選擇PT2262，通過外接振蕩電路產(chǎn)生振蕩，外接振蕩電阻可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)AD滋C812 給發(fā)送端TE 一個(gè)大于2262 連續(xù)發(fā)送三組碼的周期的低脈沖時(shí)，就可以觸發(fā)振蕩器產(chǎn)生振蕩，地址和輸入的數(shù)據(jù)將一起被編碼。PT2262 編碼器的高8位地址碼和低4 位數(shù)據(jù)碼組成一個(gè)碼字，因此AD采樣結(jié)果分三次發(fā)送，由高到低逐次發(fā)送這12 位數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每幀數(shù)據(jù)中間都由同步碼隔開,同步碼的長(zhǎng)度為4 倍的地址/數(shù)據(jù)碼位寬的長(zhǎng)度，其中含一個(gè)1/8 地址/數(shù)據(jù)碼位寬度的脈沖。

解碼器采用與PT2262 配套的PT2272，解碼器PT2272 的地址碼必須與編碼器PT2262 的地址碼完全相同時(shí)，才能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并輸出。PT2262 每次發(fā)射時(shí)至少發(fā)射4 組字碼，PT2272 只有在連續(xù)兩次檢測(cè)到相同的地址碼和數(shù)據(jù)碼時(shí)才會(huì)令VT 端為高電平同時(shí)用數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平。VT 端與AD滋C812 的外部中斷腳相連，當(dāng)VT端為高時(shí)，說明接收到數(shù)據(jù)，觸發(fā)單片機(jī)中斷，讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。需要注意的是，當(dāng)PT2262和PT2272 配套使用時(shí)，解碼器的時(shí)鐘振蕩頻率必須是編碼器時(shí)鐘振蕩頻率的2.5耀8 倍，編解碼電路的振蕩電阻分別采用3.3 M贅和680 k贅即可有較好的收發(fā)距離。

發(fā)射模塊選擇微功率無線發(fā)射模塊F05P，接收模塊為超再生接收模塊J04V。F05采用聲表諧振器穩(wěn)頻，SMT 樹脂封裝，頻率一致性較好，免調(diào)試，具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性。F05天線長(zhǎng)度在0耀250 mm 之間調(diào)節(jié)。接收模塊J04V的電壓在3-3.2 V時(shí)具有最佳的接收靈敏度。另外接收電路不適合使用紋波系數(shù)躍50 mV 的開關(guān)電源，因?yàn)榻邮漳K對(duì)電源的紋波很敏感。F05和J04V 都應(yīng)垂直安裝在抑制板邊部，并應(yīng)距離周圍器件5 mm以上，以免受分布參數(shù)影響而停振。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)AD滋C812 進(jìn)行控制，發(fā)射端單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)扭矩測(cè)試信號(hào)進(jìn)行AD采樣并將結(jié)果送入編碼器發(fā)射，接收端在接收到正確信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。為了提高傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，PT2262 的一幀數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送4 次。當(dāng)給TE一個(gè)持續(xù)的低電平時(shí)，PT2262 就連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，每一幀發(fā)送4 次。AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果由高到低分三次發(fā)送，根據(jù)所選的振蕩電阻阻值，可得出發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為30 ms，因此單片機(jī)每次使能編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔應(yīng)躍30 ms。

由于F05 對(duì)過寬的調(diào)制信號(hào)易出現(xiàn)調(diào)制效率下降、收發(fā)距離變近的現(xiàn)象，而當(dāng)脈沖低電平寬度躍10 ms 時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)第一位極易被干擾(即零電平干擾)而引起不解碼，因此在通信過程中以0CH作為一幀數(shù)據(jù)的開頭，0AH為結(jié)尾。接收端采用中斷方式，當(dāng)接收端檢測(cè)到正確的數(shù)據(jù)才進(jìn)行處理。發(fā)射和接收端單片機(jī)的程序流程圖如圖6所示。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了扭矩測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中，介紹了基于感應(yīng)電能傳輸?shù)姆墙佑|供電方式為旋轉(zhuǎn)軸上的測(cè)試電路供電，在扭矩測(cè)試信號(hào)傳輸方面，采用了數(shù)字信號(hào)通信方法，加入了簡(jiǎn)單的握手協(xié)議，降低了接收誤碼的可能性。本設(shè)計(jì)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用性。