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关于电动执行机构动态转矩测试的研究

关于电动执行机构动态转矩测试的研究如下:

    0 引言

    随着测试技术的迅猛发展,转矩测试技术已引起人们的高度重视,成为测试技术领域中的一个新的分支,转矩参数是诸多机械测量参数中的一个关键参数。电动执行机构在样品试验阶段对此参数测试的需求更加迫切。准确、可靠、方便地测出传动轴系的平均或瞬时的转矩值和转速,对改进和提高电动执行机构的性能有很大的帮助。

    在现场转矩测试中,曾经出现过最大控制转矩大于堵转转矩的现象。理论上电动执行机构堵转转矩是最大控制转矩的1.3~1.8倍,即控制转矩不会大于堵转转矩,因此,出现上述现象是不正常的,是测试系统不能准确检测电动执行机构转矩的动态变化过程造成的。一方面,电动机运行的不对称性将导致输出转矩波动;另一方面,加载机构是通过增大动静钢块之间摩擦阻力来实现转矩加载的,钢块传递力矩时并不遵从胡克定律;特别是在快速加载接近堵转转矩时,由于电动机的惯性作用,转矩的变化率可能增大。因此,提出了一种对电动执行机构的输出转矩进行高速高精度实时采样的方法。即采用高速传感器和高精度模数转换器进行数据采样,并对采集的数据进行优化处理,从而实现动态转矩的准确测量。

    1 动态转矩测试原理

    动态转矩应按照随机过程的数据处理理论去分析,常用以下统计函数来表征动态转矩的特征,即幅度概率函数和幅度累计概率函数,这是在幅值域中研究随机转矩的统计特征。可以得到以下特征参数。

    1)动态转矩的T值小于某一给定值T1时的概率精确值;

    2)动态转矩的T(t)瞬时值在(T,T+ΔT)区间内的概率精确性,表示转矩在某一幅值范围内所占有能量的百分比;

    3)平均值和方均值、方差与标准差。

    设弹性直圆杆发生扭转后,其横截面上的半径仍保持为直线,因此截面上多点的剪应变量与距该圆心的距离成正比。由胡克定律可知,剪应力也与该点距圆心的径向距离成正比。设半径为r的剪应力为τ。则径距为v处的剪应力为,作用在da面积上的剪应力为。该剪应力对轴圆心的转矩为,而横截面上产生的总的转矩为:

  

    由式(14)可知,对于给定的直轴,要测量转矩,必须知道剪应变力r,但剪应变力很难测试。目前转矩测量均采取测量轴表面与轴线45°方向的应变值来求取此轴的传递转矩(4-5)。

    如图1所示,由材料力学可知,轴表面上纯剪应力状态相当于与轴线成45°和135°方向上的拉应力σ和相等的压应力-σ所形成的应力状态。可以证明:

    单元正方形的变形如图2所示。

    正方形对角原来长度为AB,变成AB′,则增量为AB′-AB ,则:

    式中:T为转矩(N·m);D为圆轴外径(mm);d为圆轴内径(mm);G为材料的剪切模量,对给定的多向同性材料,G是一个常数(G/Pa);εg为与轴线成45°方向上的应变值。

    2 动态转矩测试的硬件设计

    在现场测试中,采用BLR-1型电阻应变拉压式传感器将力矩信号转变为电压信号。这种传感器利用电阻应变


    原理构成,被测力通过连接螺纹直接作用在粘贴有电阻应变计的应变筒上。应变筒受拉时,轴向拉伸,电阻应变计阻值增加。而径向收缩,电阻应变计阻值减小。此型传感器符合上述测试原理,适合用于动态转矩的测试。在现场的转矩测试中,当加载机构加载至接近堵转时,急剧增大的力矩作用于传感器,使传感器的输出信号变化率突然增大,如果模数转换器的采样速率小于传感器输出信号的变化率,系统将无法采集到力矩信号的实时值。因此,为了准确测试电动执行机构的动态转矩,需要采用高速模数转换器采集拉(压)力传感器输出的信号。

    经过电动执行机构动态转矩测试的理论分析以及研究其数据采集的特点,出现前面所述现象的原因主要是采样速率低,导致丢失了高频信号的数据。为了实现动态转矩的高精度测量,选用了采样速率可达到6400Hz的芯片AD7731对电动执行机构的转矩进行高速采样,可以采样较高频率的信号,提高转矩的测试精度。

    AD7731的可编程功能是通过12个片内寄存器来控制的,而对这些寄存器的访问则是通过串行接口来进行的。通过设置片内寄存器可以方便地控制AD7731的所有功能,并且还可以从片内寄存器中获取重要的状态信息以及模数转换结果。由于AD7731需要外部基准源,经过试验,采用输出电压为2.5V的低温漂REF192作为基准源,在信号输入端设计了信号保持电路,信号经数模转换以后采用74HC14与光耦进行滤波、隔离。

    由于AD7731模拟输入和参考输入都是差分输入,因此在模拟调制器上的大多数电压是共模电压。AD7731杰出的共模抑制功能可以滤除所有输入上的共模噪声。它的模拟电路和数字电路的供电电源是相互独立的,而且分别有相应的外部引脚,这样可以使模拟部分和数字部分的耦合最小化。数字滤波器能够有效滤除供电电源上的宽带噪声(除了在调制器取样频率的整数倍上)。倘若噪声源不使模拟部分调制饱和,数字滤波器也能起到把噪声从模拟输入和参考输入上滤除的作用。因此,AD7731具有比传统的高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。此外片内PAG允许AD7731处理从20mV到1.28V到模拟输入电压范围。AD7731是高集成度模数转换器,内部集成了信号运算放大器,数字信号滤波器等,强大的功能减少了外围电路的设计,增强了电路的抗干扰能力。因此AD7731可直接处理来自传感器的信号,非常适合于低带通、高分辨率的数据采集系统。

    3 动态转矩测试的软件设计

    在电动执行机构动态转矩测试中,对于大量的采样数据采用优化算法是很重要的。在实时采样并在液晶屏上显示时,由于转换后的原始数据的后8位数值幅度变化较大,因此,读到原始数据后先把A/D转换后的24位数据中的低8位去掉,只取高16位做插值运算以提高处理速度。

    为增强动态转矩测量值的准确性,可以采用构造一个插值函数方式来逼近真实值,而不是简单采用线性插值,这样可以得到较好的效果。构造插值函数的算法有多种,如常用的有拉格朗日插值、牛顿插值和埃尔米特插值等,其中牛顿插值公式是一个递推公式,当需要增加一个节点时,只要多计算一行就可以了,在实用上比较方便。牛顿插值公式如下:

    由牛顿插值函数Nn(x)可知,插值函数的次数与插值结点的个数有关,给出两个节点,插值函数为线性式,称为线性插值;给出3个点,插值函数为二次式,称为抛物插值;每新增一个点,Nn(x)增加一项,次数增高一次,函数波动增加,出现多余拐点,误差增大;另外,由于数据的误差,引起的高阶差分传播是非常惊人的。由于以上原因,在取到原始数据后,使用了三点滚动牛顿插值算法,该算法是一种变形的分段插值算法。在增加计算量不大的情况下,较大地提高了算法的精度,可以得到较高质量的测量值,可较好满足电动执行机构启闭动态转矩的测量精度要求。该算法的几何意义如图3所示。

    P0、P1、P2、P3是给定的采样数据点,C0、C1、C2为所求的插值节点。在P0、P1之间插值时,由Pn、P1、P2三个点构造牛顿插值函数,在此曲线上确定插值节点C0;在P2、P3之间插值时,由P1、P2、P3三个点构造牛顿插值函数,在此曲线上确定插值节点C2;在P0、P2(可推广到任意中间两点)点之间插值时,分别由P0、P1、P2三个点和P1、P2、P3三个点构造两个牛顿插值函数求得A1、A2点后取中间值确定C1。采集的一组采样数据点———(开度(时间)、转矩)表示为(T(i)、U1(i)),i=0,1,2,⋯,N-1。把插值运算后的函数经过换算成十进制数值后在液晶屏上显示。为了保证采集后的数据经插值运算后的准确性,在程序中设置了一个校验程序。即当力矩标定完后,应返回到校验界面进行数值校验,在校验界面,由于人为因素,允许有1~5个N·M的误差,如果误差在此范围内,采样值即认为是准确值。

    4 动态转矩测试实验

    由于高速、高精度A/D转换器的数据低位容易受到干扰,为了测试动态转矩信号采样电路的采样精度,分别对采样电路的原始数据和进行插值运算后的低位数据变化幅度进行试验,由于拉(压)力传感器转换力矩信号的原理相当于电桥电路,由如图4所示信号发生电路作为拉(压)力传感器转换力矩信号为电气信号的模拟电路。信号发生电路采用1.5V电池作为电路电源,并联两个高精度电位器,电位器各串接一个高精度电阻,并把电位器的可变阻值端作采样电路的信号输入端,为采样电路提供0~20mV模拟电压信号,将电源的负极与信号采样电路共地。

    通过改变可变电阻的阻值可产生0~20mV的模拟电压信号,对应于不同输入信号值,其采样原始值与插值运算后的值变化幅度不同。一组试验信号采样电路的采样原始数据如表1所示,插值运算后的数据如表2所示。

    将表1和表2数据中测得值的最大值减去最小值,除以其量程即可以得出采样电路的信号采样精度为2.5‰,此精度已能较好的满足电动执行机构动态转矩测量的需要,能较准确的测量电动执行机构输出的实际转矩。

    为了得出实际电动执行机构动态转矩测量的精度,应采用高精度力矩标定仪器对测试系统下位机进行力矩标定,为动态转矩的测试提供标准(7-8)进行力矩标定时,假设拉(压)力传感器的线性度十分理想,即拉压力传感器的信号随力矩的线性变化呈线性变化,在顺时针和逆时针方向分别标定5个点,其他的点都通过这5个点的值进行线性插值算出。为了排除人为因素对力矩标定准确性的干扰,标定完毕后,对标定值进行校验,针对不同型号、大小的传感器允许有不同的标定误差,在标定点附近的数据比较准确,基本接近真值,距标定点远的值误差较大,实际上也验证了拉压力传感器的输出信号并不是完全呈线性变化的,即从理论上说标定的点越多,动态转矩测量的精度越高。因此,应尽可能在系统资源许可的条件下多标定基准点,可通过查表法得到力矩值。

    标定完毕后,采用测试系统下位机对电动执行机构的动态转矩进行测试试验,表3是在测试系统下位机测试电动执行机构的转矩重复偏差的数据,此数据和拉压力传感器的线性度,标定的准确度,加载机构的力矩加载曲线,电动执行机构本身的转矩重复精度均有关。通过对不同型号的电动执行机构的多次测试,证明测试系统的测试精度稳定,达到了电动执行机构转矩测试精度的要求。

    5 结论

    模拟加载机构、传感器、人为因素引起的电动执行机构动态转矩的非线性变化,对其测试的速度与精度提出了较高的要求,提出的采用高速传感器和高精度模数转换器对动态转矩进行实时采样的方法,通过实际运用表明,满足了动态转矩测试精度的要求,提高了动态转矩测试的准确性,为电动执行机构质量检测提供了可靠的保证。

    参考文献

    (1)刘大伟,鲁昌华。数模混合电路故障诊断方法的现状(J)。国外电子测量技术,2007,26(11):18220。

    (2)吴义华,杨俊峰,邓美彩。几种利用ADC采样测量时钟抖动方法的比较(J)。电子测量与仪器学报,2007,21(2):70273。

    (3)何平,潘国峰,孙以材,等。压力传感器温度漂移补偿的RBF网络模型(J)。仪器仪表学报,2008,29  (3):5722575。


    (4)张金龙,刘京南,钱俊波,等。超精密角位移测量与控制技术研究(J)。仪器仪表学报,2006,27(12):156321564。

    (5)高长银,李明,赵辉,等。新型压电扭矩传感器动态特性研究(J)。仪器仪表学报,2006,27(8):8982900。

    (6)李坤,冯建华,李素君,等。一种A/D转换器静态参数的低成本测试方法(J)。仪器仪表学报,2006,(27)12:156321564。

    (7)PIELORZA。Vibrationproblemsinselectedtorsionalmechanicalsystems(J)。Meccanica,2003,38:7312738。

    (5)王恒海。基于LabVIEW的温度测控系统设计(J)。仪表技术与传感器,2007(4):26228。