基于fpga的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)，由新型感應(yīng)移相式扭矩傳感器和基于FPGA的中央數(shù)字處理器組成。感應(yīng)移相式扭矩傳感器主要包括傳感器軸、支架1、支架2、勵磁鐵心及繞組、輸出鐵心及繞組、輸出繞組外接電容及電阻、補(bǔ)償繞組和防塵蓋，其中支架1與傳感器軸的左端為一體化設(shè)計。通過合理匹配輸出繞組外接電容和電阻的值，傳感器能夠?qū)⒇?fù)載扭矩轉(zhuǎn)換成兩路電信號輸出，且兩路電信號的相位差和與負(fù)載扭矩存在一一對應(yīng)關(guān)系。基于FPGA的中央數(shù)組處理器對兩路信號進(jìn)行處理，通過高頻脈沖插值和計數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)輸入兩路信號相位差的獲取，經(jīng)過標(biāo)定后，即可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載扭矩的精確測量。
【專利說明】基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種扭矩測量裝置，更具體的是涉及一種基于FPGA的感應(yīng)移相式扭 矩測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 扭矩測量技術(shù)得到了人們的高度重視而成為測試領(lǐng)域發(fā)展較快的學(xué)科，在工業(yè)、 航天、軍事等多個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。例如在鉆井過程中使用扭矩傳感器，通過對扭 矩參數(shù)的測量能正確指導(dǎo)工程施工，有利于快速發(fā)現(xiàn)油氣顯示和提高鉆井效率；EPS系統(tǒng) 中的電子控制單元通過接收到的轉(zhuǎn)向盤扭矩信號，控制電機(jī)電流產(chǎn)生合適的助力；直接測 量隔離開關(guān)主閘刀的合閘力矩值，以指導(dǎo)和控制隔離開關(guān)的機(jī)械性能調(diào)試。
[0003] 目前在扭矩測量中，市場上較成熟的扭矩傳感器主要是應(yīng)變式和磁電式。應(yīng)變式 扭矩傳感器以電阻應(yīng)變片為敏感元件，通過在轉(zhuǎn)軸或與轉(zhuǎn)軸串接的彈性軸上安裝四片精密 電阻應(yīng)變片，并連接成惠思頓電橋，扭矩使軸的微小變形引起應(yīng)變阻值發(fā)生變化，電橋輸出 的信號與扭矩成比例。傳感器具有體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是信號的傳輸易受干擾 且損耗較大，導(dǎo)致測量精度不是很高；磁電式扭矩傳感器通過磁電感應(yīng)獲取扭矩信號，傳 感器輸出信號的本質(zhì)是兩路具有相位差的角位移信號，對信號進(jìn)行組合處理后得到轉(zhuǎn)矩信 息，它是非接觸式傳感器，無磨損、無摩擦，可用于長期測量，不足之處是體積大，不易安裝。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)，由新型感應(yīng)移相式扭 矩傳感器和基于FPGA的中央數(shù)字處理器組成。感應(yīng)移相式扭矩傳感器主要包括傳感器軸、 支架一、支架二、勵磁鐵心及繞組、輸出鐵心及繞組、輸出繞組外接電容及電阻、補(bǔ)償繞組和 防塵蓋，其中支架一與傳感器軸的左端為一體化設(shè)計。通過合理匹配輸出繞組外接電容和 電阻的值，傳感器能夠?qū)⒇?fù)載扭矩轉(zhuǎn)換成兩路電信號輸出，且兩路電信號的相位差和與負(fù) 載扭矩相對應(yīng)?；贔PGA的中央數(shù)組處理器對兩路信號進(jìn)行處理，通過高頻脈沖插值和計 數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)輸入兩路信號相位差的獲取，經(jīng)過標(biāo)定后，最終將兩路信號的相位差轉(zhuǎn)化為 負(fù)載扭矩值。
[0005] 本發(fā)明的目的采取下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)，由感應(yīng)移相式 扭矩傳感器和基于FPGA的中央數(shù)字處理器組成，其中感應(yīng)移相式扭矩傳感器包括 ：
[0007] 傳感器軸，分為左、中、右三段，中間段的直徑小于傳感器軸左端部分的直徑和右 端部分的直徑，傳感器軸左端部分的直徑小于右端部分的直徑；
[0008] 支架一，與傳感器軸的左端為一體式設(shè)計，支架一的圓形殼體與傳感器軸同軸 心；
[0009] 支架二，與傳感器軸的右端固定，與傳感器軸的左端通過軸承隔離，支架二可以相 對于傳感器軸的左端轉(zhuǎn)動，支架二的圓形殼體與傳感器軸同軸心；
[0010] 勵磁鐵心，同軸心的固定在支架一圓形殼體的內(nèi)側(cè)，勵磁鐵心設(shè)有繞組槽，勵磁繞 組和補(bǔ)償繞組嵌放在勵磁鐵心的繞組槽中，勵磁繞組和補(bǔ)償繞組同為單相繞組，且勵磁繞 組的軸線和補(bǔ)償繞組的軸線在空間上相互垂直；
[0011] 輸出鐵心，同軸心的固定在支架圓形殼體二的外側(cè)，輸出鐵心設(shè)有繞組槽，輸出繞 組嵌放在輸出鐵心的繞組槽中，輸出繞組為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在 空間上相互垂直；
[0012] 防塵蓋，與支架一圓形殼體的右端固定，中間設(shè)有圓孔，傳感器軸的右端從防塵蓋 中間的圓孔中穿出；
[0013] 勵磁鐵心和輸出鐵心之間存在很小的空氣隙；
[0014] 勵磁繞組內(nèi)為交流電，形成的磁場為脈振磁場，補(bǔ)償繞組為直接短路的方式連 接；
[0015] 兩組輸出繞組中的一組單相繞組與可調(diào)電容器串接，另一組單相繞組與可調(diào)電阻 器串接，之后兩組單相繞組再并聯(lián)后引出；
[0016] 勵磁繞組的軸線與兩組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45度角； [0017] 分別與兩相輸出繞組串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件coRC = 1，其中 ω為勵磁交流電的角頻率；
[0018] 支架一和支架二由硬質(zhì)鋁合金制成，勵磁鐵心和輸出鐵心采用高磁導(dǎo)率的鐵鎳軟 磁合金片或高導(dǎo)磁性硅鋼片沖剪疊壓構(gòu)成，勵磁繞組、補(bǔ)償繞組和輸出繞組均采用直焊性 聚氨酯漆包圓銅線；
[0019] 與扭矩傳感器相配套的基于FPGA的中央數(shù)字處理器，包括整形模塊和數(shù)字處理 模塊，整形模塊對傳感器輸出繞組的電壓信號和勵磁繞組的電壓信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成兩 路對應(yīng)的方波電信號，兩路方波電信號存在一定的相位差，且該相位差與傳感器軸所加載 的扭矩存在對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)字處理模塊處理后，可以獲得精確的相位差值；
[0020] 數(shù)字處理模塊，包括外部晶振、倍頻電路、基本邏輯門、門控電路、計數(shù)電路、鎖存 器和數(shù)據(jù)處理單元，外部晶振通過倍頻電路后產(chǎn)生高頻脈沖信號；基本邏輯門用于獲取兩 路方波信號的相位差信號，并將高頻脈沖信號和相位差信號進(jìn)行與邏輯運(yùn)算；門控電路用 于控制計數(shù)電路工作的啟停，計數(shù)電路分別對相位差內(nèi)高頻脈沖數(shù)和一個信號周期內(nèi)的高 頻脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果鎖存后再傳送至數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元將計數(shù)結(jié)果 轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的相位差值，相位差值與負(fù)載扭矩值存在一一對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定后即可實(shí)現(xiàn)對扭 矩的精確測量。
[0021] 如上述的扭矩測量系統(tǒng)，本發(fā)明的基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)，其工作 原理為：
[0022] 置于扭矩傳感器勵磁鐵心中的單相勵磁繞組通入正弦交流電壓，產(chǎn)生磁勢幅值隨 時間變化的脈振磁場，經(jīng)由勵磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成閉合回路。傳感器軸一端固 定，另一端施加負(fù)載扭矩，負(fù)載扭矩為零時，傳感器軸不發(fā)生形變，與傳感器軸左端一體化 固定的支架一和與傳感器軸右端固定的支架二，兩者的相對位置保持不變，固定在支架一 上勵磁繞組的軸線與固定在支架二上兩組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45 度角，變化的脈振磁場對兩組輸出繞組進(jìn)行耦合，兩組單相輸出繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 由于輸出繞組中一組輸出繞組與可調(diào)電容器串接，另一組輸出繞組與可調(diào)電阻器串接，且 分別與兩相輸出繞組串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件c〇RC= 1，其中ω為勵磁 交流電的角頻率，之后兩組輸出繞組再并聯(lián)后引出，引出后兩組輸出繞組輸出交流電壓的 相位與勵磁繞組交流電壓的相位相同。
[0023] 負(fù)載扭矩不為零時，傳感器軸產(chǎn)生形變，與傳感器軸左端一體化固定的支架一和 與傳感器軸右端固定的支架二，兩者的相對位置發(fā)生變化，固定在支架一上勵磁繞組的軸 線與固定在支架二上兩組輸出繞組的軸線，空間上錯開的角度不再是初始的45度角，變化 的脈振磁場對兩組輸出繞組進(jìn)行耦合，兩組單相輸出繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，與兩相輸 出繞組串接的電容值C和電阻值R仍然滿足約束條件c〇RC= 1，之后兩組輸出繞組再并聯(lián) 后引出，引出后兩組輸出繞組輸出的交流電壓的相位與勵磁繞組交流電壓的相位錯開一定 的電角度，即兩路正弦電信號存在相位差，且該相位差與施加的負(fù)載扭矩存在 對應(yīng)關(guān) 系。
[0024] 將兩路正弦電信號輸入到中央數(shù)字處理器，首先經(jīng)過整形模塊的處理，兩路正弦 電信號變?yōu)閮陕穼?yīng)的方波電信號，再將兩路方波信號再輸入至經(jīng)過數(shù)字處理模塊，最終 得到兩路方波信號的相位差，由于該相位差與施加的負(fù)載扭矩存在 對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過標(biāo) 定后，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對扭矩的精確測量。
[0025] 如上述的扭矩測量系統(tǒng)，本發(fā)明利用電磁感應(yīng)原理，以及輸出繞組外接電容和電 阻的合理匹配，構(gòu)成了新型的感應(yīng)移相式轉(zhuǎn)矩傳感器，傳感器能夠把負(fù)載扭矩轉(zhuǎn)換成勵磁 電壓和輸出電壓的相位差，再通過基于FPGA的中央數(shù)字處理器獲取該相位差值，經(jīng)過標(biāo)定 后，可以實(shí)現(xiàn)對扭矩的精確測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)的組成圖；
[0027] 圖2為圖1中新型感應(yīng)移相式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3為圖2中扭矩傳感器A-A面的剖視圖；
[0029] 圖4為圖2中扭矩傳感器的工作原理圖；
[0030] 圖5為圖2中扭矩傳感器補(bǔ)償繞組的工作原理圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)的工作原理圖；
[0032] 圖7為圖6中數(shù)字處理模塊的構(gòu)成圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)的特征。
[0034] 圖1為本發(fā)明基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)的組成圖，測量系統(tǒng)由新結(jié)構(gòu) 感應(yīng)移相式扭矩傳感器和基于FPGA的中央數(shù)字處理器構(gòu)成。
[0035] 圖2為圖1中新型感應(yīng)移相式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括傳感器軸1、支架一 2、支架二3、勵磁鐵心4、勵磁繞組5、補(bǔ)償繞組6、輸出鐵心7、輸出繞組8、防塵蓋9、軸承10。
[0036] 其中傳感器軸1分為左、中、右三段，中間段的直徑小于左端部分的直徑和右端部 分的直徑，傳感器軸1左端部分的直徑小于右端部分的直徑；
[0037] 支架一 2,與傳感器軸1的左端為一體式設(shè)計，支架一 2的圓形殼體與傳感器軸1 同軸心；
[0038] 支架二3,與傳感器軸1的右端固定，與傳感器軸1的左端通過軸承10隔離，支架 二3可以相對于傳感器軸1的左端轉(zhuǎn)動，支架二3的圓形殼體與傳感器軸1同軸心；
[0039] 勵磁鐵心4,同軸心的固定在支架一 2圓形殼體的內(nèi)側(cè)，勵磁鐵心4設(shè)有繞組槽，勵 磁繞組5和補(bǔ)償繞組6嵌放在勵磁鐵心4的繞組槽中；
[0040] 輸出鐵心7,同軸心的固定在支架二3圓形殼體的外側(cè)，輸出鐵心7設(shè)有繞組槽，輸 出繞組8嵌放在輸出鐵心7的繞組槽中；
[0041] 防塵蓋9,與支架一 2圓形殼體的右端固定，中間設(shè)有圓孔，傳感器軸1的右端從防 塵蓋9中間的圓孔中穿出；
[0042] 勵磁鐵心4和輸出鐵心7之間存在很小的空氣隙。
[0043] 圖3為圖2中扭矩傳感器A-A面的剖視圖，勵磁繞組5和補(bǔ)償繞組6嵌放在勵磁 鐵心4的繞組槽中，勵磁繞組5和補(bǔ)償繞組6同為單相繞組，其中補(bǔ)償繞組為直接短路的方 式連接，且勵磁繞組5的軸線和補(bǔ)償繞組6的軸線在空間上相互垂直；輸出繞組8嵌放在輸 出鐵心7的繞組槽中，輸出繞組8為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在空間上 相互垂直。
[0044] 圖4為圖2中扭矩傳感器的工作原理圖，負(fù)載扭矩為零時的接線如圖4(a)所示， 負(fù)載扭矩不為零時的接線如圖4(b)所示，圖4(b)中的輸出繞組相對圖4(a)中的初始位 置，逆時針轉(zhuǎn)過了角度Θ，該角度與施加的負(fù)載扭矩存在一一對應(yīng)關(guān)系。
[0045] 勵磁繞組5用D「D2來表示，輸出繞組8分別用Z「Z2和Z 3_Z4來表示，勵磁繞組 DrD2通入交流電

【權(quán)利要求】
1. 一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)的感應(yīng)移相式扭矩測量系統(tǒng)，包括新型感應(yīng)移 相式扭矩傳感器和基于FPGA的中央數(shù)字處理器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，包括： 傳感器軸，分為左、中、右三段，中間段的直徑小于左端部分的直徑和右端部分的直徑， 傳感器軸左端部分的直徑小于右端部分的直徑； 支架一，與傳感器軸的左端為一體式設(shè)計，支架一的圓形殼體與傳感器軸同軸心； 支架二，與傳感器軸的右端固定，與傳感器軸的左端通過軸承隔離，支架二可以相對于 傳感器軸的左端轉(zhuǎn)動，支架二的圓形殼體與傳感器軸同軸心； 勵磁鐵心，同軸心的固定在支架一圓形殼體的內(nèi)側(cè)，勵磁鐵心設(shè)有繞組槽，勵磁繞組和 補(bǔ)償繞組嵌放在勵磁鐵心的繞組槽中，勵磁繞組和補(bǔ)償繞組同為單相繞組，且勵磁繞組的 軸線和補(bǔ)償繞組的軸線在空間上相互垂直； 輸出鐵心，同軸心的固定在支架二圓形殼體的外側(cè)，輸出鐵心設(shè)有繞組槽，輸出繞組嵌 放在輸出鐵心的繞組槽中，輸出繞組為兩組，同為單相繞組，且兩組輸出繞組的軸線在空間 上相互垂直； 防塵蓋，與支架一圓形殼體的右端固定，中間設(shè)有圓孔，傳感器軸的右端從防塵蓋中間 的圓孔中穿出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：勵磁鐵心和輸出鐵心 之間存在很小的空氣隙。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：勵磁繞組內(nèi)為交流電， 形成的磁場為脈振磁場，補(bǔ)償繞組為直接短路的方式連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：兩組輸出繞組中的一 組單相繞組與可調(diào)電容器串接，另一組單相繞組與可調(diào)電阻器串接，之后兩組單相繞組再 并聯(lián)后引出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：分別與兩相輸出繞組 串接的電容值C和電阻值R需滿足約束條件coRC = 1，其中ω為勵磁交流電的角頻率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：勵磁繞組的軸線與兩 組輸出繞組的軸線，兩者初始位置在空間上錯開45度角。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應(yīng)移相式扭矩傳感器，其特征在于：支架一和支架二由硬 質(zhì)鋁合金制成，勵磁鐵心和輸出鐵心采用高磁導(dǎo)率的鐵鎳軟磁合金片或高導(dǎo)磁性硅鋼片沖 剪疊壓構(gòu)成，勵磁繞組、補(bǔ)償繞組和輸出繞組均采用直焊性聚氨酯漆包圓銅線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的中央數(shù)字處理器，包括整形模塊和數(shù)字處理模 塊，其特征在于：整形模塊對傳感器輸出繞組的電壓信號和勵磁繞組的電壓信號進(jìn)行處理， 轉(zhuǎn)換成兩路對應(yīng)的方波電信號，兩路方波電信號存在一定的相位差，且該相位差與傳感器 軸所加載的扭矩存在對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)字處理模塊處理后，可以獲得精確的相位差值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字處理模塊，包括外部晶振、倍頻電路、基本邏輯門、門控 電路、計數(shù)電路、鎖存器和數(shù)據(jù)處理單元，其特征在于： 外部晶振通過倍頻電路后產(chǎn)生高頻脈沖信號； 基本邏輯門用于獲取兩路方波信號的相位差信號，并將高頻脈沖信號和相位差信號進(jìn) 行與邏輯運(yùn)算； 門控電路用于控制計數(shù)電路工作的啟停，計數(shù)電路分別對相位差內(nèi)高頻脈沖數(shù)和一個 信號周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果鎖存后再傳送至數(shù)據(jù)處理單元； 數(shù)據(jù)處理單元將計數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的相位差值，相位差值與負(fù)載扭矩值存在一一對 應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定后即可實(shí)現(xiàn)扭矩的精確測量。
【文檔編號】G01L3/10GK104122020SQ201410397376
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】趙浩, 馮浩, 吳曉陽 申請人:嘉興學(xué)院