引言

諸多電動設(shè)備如電動執(zhí)行器、電動工具等,需要對輸出的推、拉力或轉(zhuǎn)動力矩進(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,且長期穩(wěn)定性差,不能用作精確檢測。采用應(yīng)變片力敏傳感器檢測負(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較微弱,檢測電路易受干擾,不適用于在電磁場強(qiáng)度高、振動大的環(huán)境中工作的設(shè)備。而采用檢測電機(jī)的輸出力矩實(shí)現(xiàn)對電動設(shè)備的力矩控制,精度可達(dá)5%~8%,檢測電機(jī)的力矩在減速傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時,仍能正常檢測到電機(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)力矩檢測技術(shù)用電流、電壓互感器采集電機(jī)的電流、電壓信號,經(jīng)過放大產(chǎn)生與電機(jī)電流、電壓幅值成正比的信號,用整形電路得到電壓、電流上升過零時的脈沖信號,用電壓脈沖上升沿啟動定時器計(jì)數(shù),電流脈沖上升沿停止計(jì)數(shù)。將電壓、電流的幅值信號經(jīng)過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)定性與可靠性相對較差。對于一些結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備,如精巧型的電動執(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技術(shù),該技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)簡單,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)行各個信號檢測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)確地檢測電動機(jī)力矩,精度也滿足實(shí)際應(yīng)用場景要求。

1相敏電子式力矩檢測技術(shù)

由于電動設(shè)備輸出力矩源于電機(jī)的電磁力矩,且完全成正比,因此檢測和控制電機(jī)的輸出力矩,即可實(shí)現(xiàn)對電動設(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,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vt(力矩電壓信號)。通過給電動設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩Te,檢測到額定力矩對應(yīng)的電機(jī)力矩信號(vte),依此即可得到不同負(fù)載力矩對應(yīng)的電機(jī)力矩電壓信號vt=f(u,i,e)。根據(jù)這一函數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載力矩的控制。相敏電子式交流電機(jī)輸出力矩檢測電路利用模擬運(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Ui是通過霍爾芯片將電機(jī)電流轉(zhuǎn)換而來,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,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,放大器輸入的差模電壓小于等于0V,放大器輸出為0。

1.2信號檢測處理部分

1.2.1電壓信號Ui

圖2為電流檢測電路示意圖。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測用的電感為環(huán)形閉合磁路,信號強(qiáng)度大,抗干擾能力強(qiáng)?；魻栞敵鲂盘枮?.5~5V,遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級輸出。交流電流產(chǎn)生的交變磁場,使霍爾芯片的輸出信號Ui最大變化為0~5V。

圖2電流檢測電路圖

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,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Ui與電機(jī)電流(以最大1A為例)對應(yīng)的實(shí)測值。

1.2.2電阻信號Rv

為了將電機(jī)的電流與電壓信號按照相位差通過運(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,這時光敏電阻對應(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U4,電壓信號為轉(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(放大倍數(shù)K)過零為正半周時,電流信號(同向輸入)由于滯后φ,所以在此期間放大器沒有輸出。當(dāng)電壓信號180°到零時(放大倍數(shù)為1),盡管電流信號因滯后仍大于零,但放大器已無放大作用。由此可見,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。

圖6信號波形圖

2力矩控制

相敏電子式力矩檢測電路能將電機(jī)的負(fù)載力矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號Vt。給電動設(shè)備加載額定的負(fù)載力矩運(yùn)行,力矩檢測電路可檢測到額定的力矩電壓Vte:讓電動設(shè)備空載運(yùn)行,可得到空載時的電機(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)行時檢測到的實(shí)時力矩電壓Vt,即可計(jì)算出設(shè)備的實(shí)時負(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)簡單的力矩控制,也可以將力矩電壓Vt與給定電壓Ve通過電壓比較器比較,如圖7所示,當(dāng)Vt大于Ve時,比較器的輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖健？捎帽容^器的輸出信號驅(qū)動繼電器關(guān)斷電機(jī),發(fā)出報警。

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)力矩檢測電流、電壓采樣接線圖

流過發(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A相電流的檢測。必須保證電流和電壓信號的采樣為三相電源的同一相。

4結(jié)語

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電流,采用線性光耦將電壓轉(zhuǎn)換成電阻信號,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。該電路結(jié)構(gòu)簡單,所用元器件少,穩(wěn)定性好、可靠性高?；魻枡z測用的電感為環(huán)形閉合磁路,信號強(qiáng)度大,抗干擾能力強(qiáng)?；魻栞敵鲂盘枮?.5~5V,遠(yuǎn)大于應(yīng)變力敏傳感器的毫伏級輸出。光敏電阻不受外部電磁場干擾,穩(wěn)定性高。該技術(shù)可用于單相、三相電機(jī),對不同功率的電機(jī),只需改變霍爾檢測電感線圈的線徑和匝數(shù)。與其他幾種電動設(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。