引言

電動機(jī)及機(jī)械動力裝置旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性是電動機(jī)及機(jī)械動力裝置的一項重要參數(shù)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，往往是衡量一臺電動機(jī)或機(jī)械動力裝置能否順利起動和穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)，因此，研制一種數(shù)字式、高精度、便攜式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀器，具有非常現(xiàn)實的意義。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測試，通常是采用電阻應(yīng)變橋來檢測轉(zhuǎn)矩信號并借助于導(dǎo)電滑環(huán)來實現(xiàn)電阻應(yīng)變橋能源的輸入及應(yīng)變信號的輸出，但是，由于被測軸在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生顫振，使接觸點處的接觸電阻發(fā)生變化，從而使測量誤差增大。此外，導(dǎo)電滑環(huán)屬于摩擦接觸，也不可避免地存在磨損及發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。

為了更好地測量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，控制和調(diào)整電機(jī)，本文選用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量，并以數(shù)字量的形式送入以AT89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成的測試系統(tǒng)。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來承擔(dān)應(yīng)變橋能源輸入及信號輸出任務(wù)，從而實現(xiàn)能源及信號的無接觸傳遞，因此提高了轉(zhuǎn)矩測量的精度及可靠性。此外，該傳感器還可同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，并方便地計算出軸的輸出功率，因此，利用該傳感器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出。本測量儀還可完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率的測量及報警值設(shè)定，測量周期設(shè)定及傳感器調(diào)零設(shè)定，同時還可將測試數(shù)據(jù)通過RS232口傳送到上位計算機(jī)，以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的處理、分析和對比。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量原理

用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號的傳遞，而與旋轉(zhuǎn)無關(guān)，也與轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。該傳感器既可以測量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，又可以測量動態(tài)轉(zhuǎn)矩，它無需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)矩，并可高速長時間運行，而且檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。此外，傳感器的輸出信號以頻率量給出，也便于和微處理器、單片機(jī)進(jìn)行接口。

1．1 轉(zhuǎn)矩測量

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測敏感組件是電阻應(yīng)變橋。該應(yīng)變橋可以通過應(yīng)變膠將專用的測扭應(yīng)變片粘貼在被測彈性軸上，從而組成應(yīng)變電橋，這樣，只要向應(yīng)變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號，然后將該應(yīng)變信號放大，再經(jīng)過壓／頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。傳感器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔(dān)的，因此，可實現(xiàn)能源及信號的無接觸傳遞。該應(yīng)變傳感器的測量原理如圖1所示。

由圖1可見，該傳感器是在一段特制的彈性軸上粘貼專用的測扭應(yīng)變片并組成電橋，以形成基礎(chǔ)扭矩傳感器，然后在軸上再固定能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的次級線圈、軸上印刷電路板和信號環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈。電路板上則包含整流穩(wěn)壓電源、儀表放大電路及V／F變換電路。在傳感器的外殼上固定著激磁電路、能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈、信號環(huán)形變壓器的次級線圈及信號處理電路。

該傳感器電路在工作時，通常由外部電源向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生的400 Hz的方波，經(jīng)過TDA2003功率放大后，即可作為交流激磁功率電源，然后通過能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級線圈T1傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈T2，將得到的交流電源通過軸上的整流、濾波電路處理后變成±5 V的直流電源。再將該電源作為運算放大器AD822的工作電源，并由基準(zhǔn)電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓后，便可產(chǎn)生±4．5V的精密直流電源。該電源既可作為應(yīng)變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V／F轉(zhuǎn)換器的工作電源。而當(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測到的mV級應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620將其放大成1．5 V±1 V的強(qiáng)信號，再通過V／F轉(zhuǎn)換器LM33l變換成頻率信號。此信號可通過信號環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級線圈，再經(jīng)過傳感器外殼上的信號處理電路進(jìn)行濾波、整形，即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號輸出。

JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號輸出形式如下：

零轉(zhuǎn)矩：10 kHz±50 Hz；

正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15 kHz±50 Hz；

反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5 kHz±50 Hz；

信號幅值：0~8V；

負(fù)載電流：40mA。

1．2 轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝有60條齒縫的測速輪，同時在傳感器外殼上安裝有一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關(guān)架，測速輪的每一個齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時，光敏三極管就輸出一個高電平，而當(dāng)光線通過齒縫射到光敏管的窗口時，光敏管則輸出一個低電平，這樣，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到60個脈沖。因此，每秒鐘檢測到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。

1．3 測量方法

為了完成轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值的測量及顯示，本設(shè)計采用單片機(jī)測頻法(M法)，即采用定時脈沖計數(shù)的方式來完成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量。將轉(zhuǎn)矩信號送單片機(jī)定時計數(shù)器T0，并將轉(zhuǎn)速信號送單片機(jī)定時計數(shù)器T1，以用于完成頻率信號的計數(shù)。然后在測量周期結(jié)束后，取出計數(shù)值。再由測量周期和T0、T1的計數(shù)值，并通過計算得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。

由于JN338輸出的轉(zhuǎn)矩頻率值一般在5～15kHz之間，因此，M法所固有的±l Hz計數(shù)器截斷絕對誤差可以忽略，關(guān)鍵是要保證測量定時周期T的精度。為提高T的精度，可采用外部擴(kuò)展硬件實時時鐘芯片的定時方法，來得到精確的定時測量周期T。此外，測量周期T的大小，也將影響測量精度，T值越大，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量精度就會越高，穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的測量時間也會越長。因此，本系統(tǒng)的測量周期T可根據(jù)測量需要由鍵盤輸入，取值范圍為200~2000 ms。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

由于JN338的輸出為頻率量數(shù)字信號，故該傳感器可方便地與計算機(jī)或單片機(jī)接口。圖2給出了JN338與單片機(jī)AT89C52進(jìn)行接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。基中AT89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能、CMOS型微處理器，其片內(nèi)含有8 kB的可反復(fù)擦寫只讀程序存儲器和256B的RAM。圖2中，JN338轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)的TO、T1計數(shù)器，然后由TO和Tl完成測頻計數(shù)功能，秒脈沖閘門由T2提供。其中光耦的作用，一是電平轉(zhuǎn)換，即把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，二是提高單片機(jī)的抗干擾能力和保護(hù)單片機(jī)。

由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值的運算后，即可將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率等參數(shù)保存并顯示輸出。本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，由IMP813L構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路，此外，系統(tǒng)中還擴(kuò)展了一片I2C總線串行鐵電存儲器FM24256，它的主要作用是存儲參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值。通過內(nèi)含GB2312中文漢字庫的圖形點陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面，ICL232的作用是將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS一232電平，以便于和上位計算機(jī)進(jìn)行通信。

2．1 人機(jī)交互界面設(shè)計

對于一個智能化的測量儀器而言，如能擁有一個友好的中文人機(jī)界面，會大大增強(qiáng)儀器的可操作性，本系統(tǒng)使用了顯示信息豐富、功耗低、無輻射的液晶圖文顯示模塊。由于普通圖形點陣液晶顯示器件存在著硬件接口電路復(fù)雜、顯示漢字編程繁復(fù)、顯示字庫占用ROM容量大等缺點，因此，本設(shè)計中采用了內(nèi)藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCMl286ZK。

該模塊的顯示點陣數(shù)為128x64，可分為4行顯示，每行可顯示8個漢字或16個ASCⅡ字符。使用該模塊每屏可同時顯示測量時間、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率值，且可方便地查閱歷史測量數(shù)據(jù)，從而很好地解決了傳統(tǒng)LED顯示方式循環(huán)顯示周期過長及人機(jī)顯示界面不友好的缺點。LCMl2864ZK與單片機(jī)的接口方式有8位／4位并行和2／3線串行模式。本設(shè)計利用其二線串行模式與單片機(jī)進(jìn)行接口，僅占用單片機(jī)的二根口線，單片機(jī)的接口電路設(shè)計也比較簡單，硬件資源占用少。本系統(tǒng)鍵盤用于輸入傳感器參數(shù)、量程、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的報警值，以及測量周期和調(diào)零設(shè)置等參數(shù)。

2．2 鐵電存儲器

通常情況下，儀器儀表中都可用E2PROM來保存設(shè)置的參數(shù)，而用SRAM加上后備電池來保存采集的數(shù)據(jù)。但是，這種方法有一定的不足，一方面是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面，其保存數(shù)據(jù)的可靠性也較低。而鐵電存儲器是一種兼具RAM和ROM性能，并被認(rèn)為可能取代各類存儲器的超級存儲器，它幾乎可以跟隨總線速度無限次的寫入且具有超低功耗特性。因此，本系統(tǒng)采用一片鐵電存儲器FM24C256來保存設(shè)置的參數(shù)和采集的數(shù)據(jù)。

FM24C256存儲器的存儲容量為32 kx8 byte，具有10億次的讀／寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存期為10年，并帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，具有1MHz的總線頻率。

由于FM24C256采用I2C總線，因此，該器件與AT89C52單片機(jī)的接口十分簡單，僅需占用單片機(jī)的兩根I／O口線，同時也使得數(shù)據(jù)保存的可靠性大為提高。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存格式為：小時(1字節(jié))、分鐘(1字節(jié))，秒鐘(1字節(jié))、轉(zhuǎn)矩值(2字節(jié))、轉(zhuǎn)速值(2字節(jié))、功率值(2字節(jié))。保存的參數(shù)可以作為歷史數(shù)據(jù)查閱或傳送給上位機(jī)。

2．3 實時時鐘日歷

為了避免使用單片機(jī)的定時器多次重復(fù)定時，其中斷響應(yīng)時間不確定而造成的定時精度降低，提高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量周期的精度，同時也為了便于定時采集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值并定時保存轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率值，本設(shè)計擴(kuò)展了基于I2C總線的實時日歷時鐘芯片SD2001。該芯片是具有內(nèi)置晶振、充電電池、串行NVRAM的高精度、免調(diào)校實時時鐘器件。由該芯片構(gòu)成的時鐘電路具有精度高、外圍和接口電路簡單的特點。利用該器件的中斷輸出引腳可得到以毫秒或秒為單位的任意時間輸出，或以分鐘為單位的任意時間輸出。本系統(tǒng)即利用該器件的硬件定時功能來實現(xiàn)測量周期及數(shù)據(jù)的定時采集和定時保存。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件可采用MCS一51匯編語言編制。由于使用了JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器，因而無需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。本文在軟件編程中，使用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的編程思想，使軟件系統(tǒng)思路更加清晰、條理清楚。

圖3所示是本系統(tǒng)的主程序軟件框圖。本系統(tǒng)軟件主要包括初始化、轉(zhuǎn)矩計算、轉(zhuǎn)速計算、功率計算、轉(zhuǎn)矩調(diào)零、顯示輸出、數(shù)據(jù)存儲、報警輸出、鍵盤控制、上位機(jī)通信等模塊。

4 實驗結(jié)果

通常可以采用標(biāo)準(zhǔn)扭矩加載裝置來對該測量儀的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定測試可采用10個100 N的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每加1個砝碼，輸出軸即承受100N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩載荷。所測的實驗數(shù)據(jù)如表1所列。由表l可知，該數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀的轉(zhuǎn)矩最大相對測量誤差為0．40％，因此表明，該測量儀具有較高的測量精度。

5 結(jié)束語

本儀器采用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器解決了機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸能量及信號的可靠傳遞及信號輸出波動問題，提高了測量精度，同時實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的數(shù)字化測量。本儀器的特點在于巧妙地利用了新型傳感器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，從而為更好地控制電動機(jī)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)提供了保障。