基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统*

赵 浩

（嘉兴学院南湖学院，浙江嘉兴314001）

基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统*

赵 浩*

（嘉兴学院南湖学院，浙江嘉兴314001）

扭矩测量装置的研制是建立机械传动系统保障体系的关键技术之一，设计了一种基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统。系统由感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的信号处理器两部分组成，扭矩传感器由励磁绕组建立脉振磁通，通过电磁耦合和外接输出电路参数的合理匹配，将负载扭矩转化成励磁电压和输出电压的相位差；FPGA对两路信号进行采集，并采用高频脉冲对两路信号的相位差进行插值，将其转化成脉冲数，处理后即可得到精确的相位差。最后采用高精度扭力扳手对传感器进行了标定，实验结果表明测量系统的相对误差约为0.51%，迟滞误差约为0.6%，线性误差约为0.57%，重复性误差约为0.84%。

扭矩；电磁感应；相位差；标定

随着科技的不断发展，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［1-2］。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［3］；电动助力转向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［4］；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［5］。

近年来许多学者在扭矩测量方面进行了大量的研究，设计了多种新型扭矩测量装置，包括分段激磁式扭矩传感器［6］、环形球栅式扭矩传感器［7］、差动感应式式扭矩传感器［8］、基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器［9］、基于纳米晶软磁合金的磁弹性扭矩传感器［10］、激光反射式扭矩测量系统［11］、环形差动压磁式非接触动态扭矩传感器［12］、基于矢量抵消原理的扭矩传感器［13］、基于铁基非晶态合金的非接触半套环式新型扭矩传感器［14］和一种双偏轮动态扭矩传感器［15］等等。

本文提出了一种基于FPGA的感应移相式新型扭矩测量装置，详细阐述了扭矩传感器的机械结构和系统的扭矩测量原理，推导了扭矩传感器的输出特性，给出了测量系统的具体实现方法，最后采用高精度扭力扳手对扭矩测量系统进行了标定，得到了系统的各项性能指标。

1 传感器机械结构

扭矩传感器结构图如图1所示。传感器轴的左端与支架1为一体式设计；励磁铁心固定在支架1的内侧，与传感器轴同轴心，励磁铁心设有绕组槽，励磁绕组D1-D2和补偿绕组D3-D4嵌放在绕组槽中，且励磁绕组和补偿绕组的轴线在空间上互相垂直；支架2同轴心的固定在传感器轴的右端，支架2的另一端通过轴承支撑，与传感器轴可以做相对运动；输出铁心固定在支架2的外侧，输出铁心设有绕组槽，输出绕组Z1-Z2和Z3-Z4置于槽内，两相绕组的轴线正交；励磁铁心和输出铁心存在空气隙，且励磁铁心和输出铁心均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。

图1 传感器机械结构图

2 传感器工作原理

当一根弹性轴受到负载扭矩作用时，弹性轴两端截面产生一个扭转角Δθ，在弹性范围内，扭转角与负载扭矩存在如下关系式［16］：

式中：Δθ—轴的扭转角(rad)；T为负载扭矩(N/m)；L为轴的工作长度(m)；D为轴的直径(m)；G为轴材料的剪切模量(N/m2)。其中比例系数K通过标定试验得到，因此，只要知道扭转角θ的数值，即可得到T。

图2 传感器工作原理与接线图

传感器的工作原理接线图如图2所示，负载扭矩为零时的接线图如图2（a）所示，负载扭矩不为零时的接线图如图2（b）所示，图2（b）中的输出绕组相对图2（a）中的初始位置，逆时针转过了角度θ。

励磁绕组D1-D2通入交流电后产生脉振磁通（某瞬间方向如图2所示），经由励磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合磁路，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，此瞬间输出绕组产生的感应电势方向如图2所示，感应电势的大小为：

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IR，方向如图所示。图中uR为回路两端的电压，根据基尔霍夫电压定律，由图可知：

由此可知，输出电压uR的相位与扭转角θ成线性关系，因此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，进而得到负载转矩T。

3 传感器信号处理

3.1 信号处理的原理

把测量θ值的大小转化为测量高频插值脉冲的个数，图形解释如图3所示。负载运行时，励磁电压和输出感应电势两路信号经过滤波、放大、整形后分别为A和B所示，存在相位差ϕ，即为负载转矩产生的扭转角为θ。设t1～t2时间段内（图示为4个信号周期）对应相位差内的高频脉冲个数为M，总的脉冲个数为N，则负载时相位差ϕ：

所以只要测出高频脉冲个数M和N，即可得到扭角θ，进而根据式（1）标定后可以得到负载扭矩T。

图3 信号处理原理图

3.2 信号处理的实现

由上述扭矩测量系统的工作原理可知，为得到励磁电压和输出电压两路信号相位差内高频脉冲个数M和N，采用FPGA设计的信号处理器的内部构成如图4所示，包括倍频器、门控电路、计数器、锁存器、数据处理单元和一些逻辑门电路。

图4 FPGA内部逻辑图

图4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滤波、放大、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：①RESET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；②RESET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，并按照式（5）进行计算，得到两路信号的相位差。

对图4设计的信号处理电路进行仿真，结果如图5所示。

4 标定实验

对测量装置标定前要对扭矩传感器轴承受的强度进行核算，为了使传感器轴工作在弹性范围内，轴所受的最大剪应力必须小于材料所允许的剪切比例极限。本文设计的扭矩传感器轴中间较细的部分直径为D=10 mm，两个支架之间的有效长度L=30 mm，传感器轴弹性轴材料为40 Cr，可查得σs=785 N/mm2，根据材料力学相关公式可得Tmax≈105 N/m，标定实验过程中，为了保证一定的裕度，对扭矩传感器加载的扭矩最大不超过70 N/m。

实验时将扭矩传感器支架1一端装在固定，另一端采用高进度扭力扳手进行加载，扭力扳手为嵊州嘉牧公司生产的ACD-100型，量程为100 N/m，分辨率为1 N/m；测量电路中的外部有源晶振为50 MHz，采用的FPGA型号为EP2C8Q；标定实验结果如表所示，由此可知测量装置的相对误差约为0.51%；迟滞误差约为0.6%；线性误差约为0.57%；重复性误差约为0.84%。

5 结束语

本文提出了一种新型感应移相式扭矩传感器，详细阐述了传感器的机械结构和测量原理，并设计了基于现场可编程门阵列的测量电路，通过仿真和实验都证明了测量装置的实用性和可行性，其性能指标能够满足实际工程中扭矩测量的需要。

［1］李志远，侯顺艳，李贺.基于扭矩传感器的汽车驱动轮最佳滑转率测定［J］.河北大学学报：自然科学版，2014，34（5）：547-552.

［2］刘曼，葛友华，郑功亮.基于车轮扭矩在线检测汽车制动力［J］.机床与液压，2014，42（14）：147-149.

［3］王林平，常青青，魏立军，等.皮带轮式扭矩传感器及其应用［J］.石油天然气学报，2012，34（5X）：352-354.

［4］刘强，于涌川，綦慧.电感式扭矩传感器在电动助力转向系统中的应用［J］.工业仪表与自动化装置，2009（5）：37-39.

［5］李宇鹏.扭矩传感器在隔离开关调试中的应用［J］.电器工业，2009（11）：57-60.

［6］赵浩.新型高线性度分段激磁式扭矩传感器的研究［J］.传感技术学报，2014，27（12）：1672-1675.

［7］吴永烽，喻洪麟，何安国.环形球栅扭矩测量原理研究［J］.仪器仪表学报，2010，31（11）：2580-2585.

［8］赵浩.差动感应式扭矩传感器及其有限元分析［J］.传感技术学报，2015，28（5）：654-659.

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［10］石延平，臧勇，崔伯第.基于纳米晶软磁合金的磁弹性扭矩传感器的研究［J］.传感技术学报，2011，24（8）：1163-1167.

［11］丁珍红，吉小军，刘月华.一种轴扭转变形动态测量系统的设计及实现［J］.中国机械工程，2011，22（14）：1672-1675.

［12］石延平，周庆贵，臧勇.环形差动压磁式非接触动态扭矩传感器的研究与设计［J］.中国机械工程，2011，22（17）：2026-2029.

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［14］石延平，臧勇，周庆贵.基于铁基非晶态合金的非接触半套环式扭矩传感器的研究［J］.机械工程学报，2012，48（12）：13-17.

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［16］张有硕.转矩测量技术［M］.北京：计量出版社，1986.

赵 浩（1983-），男，讲师，主要研究方向为新结构传感器的设计、旋转机械与传动系统振动特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科学基金、浙江省教育厅科研项目和嘉兴市科技计划项目等多项课题，在Sensors、Review of sci⁃entific instruments、Journal of Vibroengi⁃neering和传感技术学报、计量学报等期刊上发表多篇论文，zhaohao204@163.com。

A Induction Phase-Shifting Torque Measurement System Based on FPGA*

ZHAO Hao*
（Nanhu College of Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

Torque measuring device is one of the key technologies to set up the security system of mechanical trans⁃mission system，therefore，a new induction phase-shifting torque measurement system based on FPGA is designed in this paper.The system is composed of induction phase-shifting torque sensor and signal processor based on FP⁃GA，the pulsating magnetic flux is established by the excitation winding of torque sensor，and the load torque is con⁃verted into the phase difference of excitation voltage and output voltage，it is realized through the electromagnetic coupling and the external output circuit parameters matching，these two signals are sampled and interpolated with high frequency pulses by FPGA，and the phase of two signals are obtained after processing.The measurement sys⁃tem is calibrated by high precision torque wrench，the experimental results indicated the relative error is about 0.51%，the hysteresis error is about 0.6%，the linearity error is about 0.57%，the repeatability error is about 0.84%.

torque；electromagnetic induction；phase difference；calibration

TP212

A

1004-1699(2015)10-1486-04

��7230；7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.012

项目来源：浙江省自然科学基金项目（LQ14E050007）；嘉兴市科技计划项目（2015AY11018）；嘉兴学院南湖学院科研重点课题项目（N41472001-4）

2015-04-08 修改日期：2015-08-06