引言

諸多電動(dòng)設(shè)備如電動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)工具等,需要對(duì)輸出的推、拉力或轉(zhuǎn)動(dòng)力矩進(jìn)行控制。傳統(tǒng)方案采取彈簧形變、力敏傳感器等實(shí)現(xiàn)力矩測(cè)控。機(jī)械式力矩控制的精度一般為10%~25%,雖然成本低,但受彈簧材料材質(zhì)、套件加工精度、裝配等因素影響較大,且長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,不能用作精確檢測(cè)。采用應(yīng)變片力敏傳感器檢測(cè)負(fù)載力矩實(shí)現(xiàn)力矩控制的精度比機(jī)械式力矩控制的精度高,為8%~10%,但力敏傳感器的輸出信號(hào)較微弱,檢測(cè)電路易受干擾,不適用于在電磁場(chǎng)強(qiáng)度高、振動(dòng)大的環(huán)境中工作的設(shè)備。而采用檢測(cè)電機(jī)的輸出力矩實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)設(shè)備的力矩控制,精度可達(dá)5%~8%,檢測(cè)電機(jī)的力矩在減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí),仍能正常檢測(cè)到電機(jī)的輸出力矩變化,優(yōu)于以上兩種力矩控制技術(shù)。

原有的電機(jī)力矩檢測(cè)技術(shù)用電流、電壓互感器采集電機(jī)的電流、電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)放大產(chǎn)生與電機(jī)電流、電壓幅值成正比的信號(hào),用整形電路得到電壓、電流上升過(guò)零時(shí)的脈沖信號(hào),用電壓脈沖上升沿啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù),電流脈沖上升沿停止計(jì)數(shù)。將電壓、電流的幅值信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送進(jìn)單片機(jī),然后用單片機(jī)計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值。這種技術(shù)的電路較復(fù)雜,元器件數(shù)量多,因此穩(wěn)定性與可靠性相對(duì)較差。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備,如精巧型的電動(dòng)執(zhí)行器,電子艙體積有限,根本裝不下這些電子元件。

為了克服以上缺點(diǎn),本文提出了相敏電子式力矩檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,穩(wěn)定性與可靠性也遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)。下文首先介紹該技術(shù)的原理,其次進(jìn)行各個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路和力矩控制電路的設(shè)計(jì),最后展示了三相電機(jī)的信號(hào)采樣示意圖。理論研究表明,所提方法可以方便準(zhǔn)確地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)力矩,精度也滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景要求。

1相敏電子式力矩檢測(cè)技術(shù)

由于電動(dòng)設(shè)備輸出力矩源于電機(jī)的電磁力矩,且完全成正比,因此檢測(cè)和控制電機(jī)的輸出力矩,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)設(shè)備的輸出力矩控制。交流感應(yīng)式電機(jī)的輸出力矩公式計(jì)算如下:

式中:U為工作電壓:I為電機(jī)電流:cose為電機(jī)的功率因數(shù):g為電機(jī)效率。

由此可見(jiàn),交流電機(jī)的輸出力矩與電機(jī)用電的有功功率UIcose成正比,即TqUIcose。檢測(cè)電機(jī)的有功功率變化,即可得到電機(jī)的輸出力矩變化。

1.1原理部分

本文所提技術(shù)以相敏模擬乘法運(yùn)算電路對(duì)電機(jī)的電壓U、電流I按相位差e作乘法運(yùn)算,即可得到與電機(jī)輸出力矩成正比的電壓信號(hào)vt(力矩電壓信號(hào))。通過(guò)給電動(dòng)設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩Te,檢測(cè)到額定力矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)力矩信號(hào)(vte),依此即可得到不同負(fù)載力矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)力矩電壓信號(hào)vt=f(u,i,e)。根據(jù)這一函數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載力矩的控制。相敏電子式交流電機(jī)輸出力矩檢測(cè)電路利用模擬運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)UIcose,得到與負(fù)載力矩相對(duì)應(yīng)的力矩電壓vt。

圖1為相敏乘法運(yùn)算電路示意圖。放大器的同相端輸入信號(hào)Ui是通過(guò)霍爾芯片將電機(jī)電流轉(zhuǎn)換而來(lái),Ui是與電機(jī)電流大小成正比,相位、頻率完全相同的電壓信號(hào),反向端為受電源電壓控制的線性光敏電阻Rv。Rv與R2構(gòu)成了放大器的負(fù)反饋回路,確定放大倍數(shù)。Z1的穩(wěn)定電壓2.5V串接在反向端Rv與地之間,當(dāng)Ui電壓低于2.5V時(shí),放大器輸入的差模電壓小于等于0V,放大器輸出為0。

1.2信號(hào)檢測(cè)處理部分

1.2.1電壓信號(hào)Ui

圖2為電流檢測(cè)電路示意圖。電機(jī)電流流經(jīng)一環(huán)形磁芯的電感線圈LT,在環(huán)形閉合磁路中插入線性霍爾芯片HR?；魻枡z測(cè)用的電感為環(huán)形閉合磁路,信號(hào)強(qiáng)度大,抗干擾能力強(qiáng)。霍爾輸出信號(hào)為2.5~5V,遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級(jí)輸出。交流電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng),使霍爾芯片的輸出信號(hào)Ui最大變化為0~5V。

圖2電流檢測(cè)電路圖

圖3為霍爾輸出的與電機(jī)電流幅頻特性完全相似的電壓Ui波形圖。電流等于0時(shí),Ui為2.5V。Ui的幅度與電流大小成正比,相位、頻率完全相同。

表1為電壓信號(hào)Ui與電機(jī)電流(以最大1A為例)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值。

1.2.2電阻信號(hào)Rv

為了將電機(jī)的電流與電壓信號(hào)按照相位差通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算,這里需要將電機(jī)的電源電壓變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。電阻的大小與電壓成反比,頻率、相位與電壓的正半周相同。

圖4中電源經(jīng)電阻R限流,正半周流經(jīng)二極管D,驅(qū)動(dòng)線性光耦PR中的發(fā)光二極管,電壓的高低變化引起發(fā)光二極管的亮度變化,光敏電阻的阻值隨之變化。電源電壓越高,發(fā)光二極管的亮度越大,而光敏電阻的阻值越小。光敏電阻不受外部電磁場(chǎng)干擾,穩(wěn)定性高。

從圖5光敏電阻與輸入電流變化的曲線圖可以看出,輸入電流增加,輸出電阻下降。例如電源電壓為AC220V,限流電阻R選1.1MΩ,流經(jīng)光敏電阻發(fā)光二極管的電流約為0.2mA,這時(shí)光敏電阻對(duì)應(yīng)的阻值約為2.5kΩ。當(dāng)電源電壓以正弦規(guī)律變化,光敏電阻阻值以反向的正弦規(guī)律變化。

圖5光敏電阻特性曲線

1.2.3放大倍數(shù)

從圖1可見(jiàn)電阻R2和光敏電阻Rv一起構(gòu)成負(fù)反饋回路,確定放大器的放大倍數(shù)K,K=1+R2/Rv。由于Rv的阻值隨電源電壓變化,電壓升高,Rv減小,K增大,因此放大倍數(shù)K的變化趨勢(shì)就與電壓變化相同,即頻率、相位相同,幅度成正比。

1.2.4相敏乘法運(yùn)算

在圖1所示的相敏模擬乘法運(yùn)算放大器中,同相端輸入的是電壓信號(hào)U4,電壓信號(hào)為轉(zhuǎn)換成電阻的Rv,用以確定放大倍數(shù)K。放大器的輸出信號(hào)Gi=U4K,也就是Gi=電流×電壓。從圖x可以看出,放大倍數(shù)K與電壓的正半周同頻率、同相位。電機(jī)是感性負(fù)載,所以電流滯后于電壓相位差φ。φ的大小與電機(jī)特性和負(fù)載大小有關(guān),負(fù)載越小φ越大,反之負(fù)載越大φ越小。所以,電機(jī)的力矩計(jì)算不是簡(jiǎn)單的電流與電壓代數(shù)乘,必須要考慮相位差φ的關(guān)系。從電壓、電流的正半周波形看,只有兩者都不為零時(shí)才能產(chǎn)生力矩。相敏放大器正好實(shí)現(xiàn)了這一功能。當(dāng)電壓信號(hào)(放大倍數(shù)K)過(guò)零為正半周時(shí),電流信號(hào)(同向輸入)由于滯后φ,所以在此期間放大器沒(méi)有輸出。當(dāng)電壓信號(hào)180°到零時(shí)(放大倍數(shù)為1),盡管電流信號(hào)因滯后仍大于零,但放大器已無(wú)放大作用。由此可見(jiàn),相敏模擬乘法運(yùn)算電路能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出力矩的計(jì)算。Gi經(jīng)過(guò)RC濾波后的直流電壓Vt,即為與電機(jī)輸出力矩成正比的力矩信號(hào)。

圖6信號(hào)波形圖

2力矩控制

相敏電子式力矩檢測(cè)電路能將電機(jī)的負(fù)載力矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)Vt。給電動(dòng)設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩運(yùn)行,力矩檢測(cè)電路可檢測(cè)到額定的力矩電壓Vte:讓電動(dòng)設(shè)備空載運(yùn)行,可得到空載時(shí)的電機(jī)輸出力矩電壓Vto。Vtf=Vte-Vto即設(shè)備從空載到滿載的力矩電壓變化范圍。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)力矩電壓Vt,即可計(jì)算出設(shè)備的實(shí)時(shí)負(fù)載力矩。這樣就可由用戶根據(jù)設(shè)備的使用工況,選擇需要的力矩控制值。

如果僅需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的力矩控制,也可以將力矩電壓Vt與給定電壓Ve通過(guò)電壓比較器比較,如圖7所示,當(dāng)Vt大于Ve時(shí),比較器的輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖?。可用比較器的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)斷電機(jī),發(fā)出報(bào)警。

3三相電機(jī)的電壓、電流采樣

如圖8所示,三相電機(jī)的電流信號(hào)采樣和單相電機(jī)一樣,串在任意一相中。電阻Rl、R2、R3阻值都相同,一端分別接三相電源的一相,另一端接在一起形成中性點(diǎn)o。

圖8三相電機(jī)力矩檢測(cè)電流、電壓采樣接線圖

流過(guò)發(fā)光管電流即為相電壓Ua除以電阻R1,光敏電阻阻值跟隨相電壓變化。電流采樣元件LT串接在A相接線中,完成對(duì)A相電流的檢測(cè)。必須保證電流和電壓信號(hào)的采樣為三相電源的同一相。

4結(jié)語(yǔ)

相敏電子式力矩控制技術(shù)以相敏式模擬運(yùn)算放大器為核心,采用線性霍爾芯片檢測(cè)電流,采用線性光耦將電壓轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào),以光敏電阻控制放大器的放大倍數(shù),實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的相敏乘法運(yùn)算,很好地完成了電機(jī)輸出力矩的檢測(cè)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所用元器件少,穩(wěn)定性好、可靠性高?；魻枡z測(cè)用的電感為環(huán)形閉合磁路,信號(hào)強(qiáng)度大,抗干擾能力強(qiáng)?；魻栞敵鲂盘?hào)為2.5~5V,遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級(jí)輸出。光敏電阻不受外部電磁場(chǎng)干擾,穩(wěn)定性高。該技術(shù)可用于單相、三相電機(jī),對(duì)不同功率的電機(jī),只需改變霍爾檢測(cè)電感線圈的線徑和匝數(shù)。與其他幾種電動(dòng)設(shè)備力矩控制技術(shù)比較,相敏電子式力矩控制技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都有明顯的優(yōu)勢(shì)。