基于数字信号控制器的磁电式相位差型转矩转速测量系统的研究
|
摘要
随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、柴油机、化工机械、石油工业、冶金等多方面获得了广泛的应用。转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。因此,转矩、转速测量系统的研制和生产情况,也就表征了一个国家的基础工业和科学研究的现代化水平。
本论文阐述了国内外转矩、转速测量系统发展、研制的概况,对各类转矩、转速测量系统进行了分类比较,针对现阶段国内实验室中使用较多的磁电式相位差型转矩、转速传感器,结合转矩、转速测量中抗干扰与快速测量存在的问题以及对测量系统提出的更新要求,采用目前最新的数字信号处理器技术,设计研制了一套转矩、转速测量系统。为实现转矩、转速的实时在线检测,解决目前机械传动系统的实时测量问题;为提高系统区别干扰信号的能力,解决变频器驱动电机工作时,目前磁电式相位差型转矩、转速测量系统的测量干扰误差问题提出了新的解决方案。
该测量系统提供了RS-232接口能力,能方便地与上位机通信,利用上位机进行海量数据存储和数据的处理,得到转矩、转速的动态曲线。
在比较仪器各功能模块可能实现的各种方案的基础上,本论文采用微芯公司的数字信号控制器(Digital Signal Controllers)dsPIC30F6014,结合系统研制要求,对系统各个模块的电路进行了研制设计,主要包括传感器输出信号的采样和调理电路,供电电源电路,液晶显示接口电路,上位机通信和键盘接口电路等等。测量系统在数字信号控制器的高速数据处理能力基础之上进行软件设计,实现了高速的信号处理能力,保证了计算精度和实时测量要求。文中详细给出了主程序的总体框架结构以及A/D采样中断,转矩、转速计算,上位机处理等程序的模块化设计。论文采用数字信号控制器研究转矩、转速测量的方法在我所查阅的国内文献中还未见报道。
Along with the progress in science and technology and the development of productive forces, torque and rotational speed measurement technology is widely applied in motor, automobile, marine transportation, diesel engine, chemical machinery, petroleum industry, metallurgy,etc. The torque and rotational speed measurement is necessary for mechanical products’development and research, test and analysis, quality test, pattern appraisal and energy conservation, security and optimized control. Therefore, the development and production of torque and rotational speed measurement system also represent the modern level of a country’s basic industry and the scientific research.
This paper provides an overview of the research and development of torque and rotational speed measurement system at home and abroad; then makes comparation among different torque and rotational speed measurement systems in a classifed manner; at last, a torque and rotational speed measurement system is conceptually developed with the latest DSP technology. Considering the existing problems occuring in anti-interference and rapid survey during torque and rotational speed measurement as well as new demands on survey system, this system could be compatible with magnetoelectric phase difference torque & rotational speed sensors which are widely used in domestic labs. This paper proposes solutions for real-time online detection problem in mechanically-driven system. In addition, this paper also addresses survey interference errors of magnetoelectric phase difference torque and rotational speed measurement system during motor operation driven by converter, so as to improve system ability to identify interference signals.
Equipped with RS-232 interface, this system could easily communicate with PC, generate torque and rotational speed dynamic curves through the mass data sotrage and data processing results in PC.
Comparing all possible feasible schemes achieved by functional modules, this paper discusses the module circuit designs within the system according to development requirements with the adoptation of Digital Signal Controllers dsPIC30F6014 manufactured by Microchip, including sensor input signal sampling and regulating circuit, power supply circuit, LCD display interface circuit, PC communication and keyboard interface circuit, etc. This measurement system implements software design
本论文阐述了国内外转矩、转速测量系统发展、研制的概况,对各类转矩、转速测量系统进行了分类比较,针对现阶段国内实验室中使用较多的磁电式相位差型转矩、转速传感器,结合转矩、转速测量中抗干扰与快速测量存在的问题以及对测量系统提出的更新要求,采用目前最新的数字信号处理器技术,设计研制了一套转矩、转速测量系统。为实现转矩、转速的实时在线检测,解决目前机械传动系统的实时测量问题;为提高系统区别干扰信号的能力,解决变频器驱动电机工作时,目前磁电式相位差型转矩、转速测量系统的测量干扰误差问题提出了新的解决方案。
该测量系统提供了RS-232接口能力,能方便地与上位机通信,利用上位机进行海量数据存储和数据的处理,得到转矩、转速的动态曲线。
在比较仪器各功能模块可能实现的各种方案的基础上,本论文采用微芯公司的数字信号控制器(Digital Signal Controllers)dsPIC30F6014,结合系统研制要求,对系统各个模块的电路进行了研制设计,主要包括传感器输出信号的采样和调理电路,供电电源电路,液晶显示接口电路,上位机通信和键盘接口电路等等。测量系统在数字信号控制器的高速数据处理能力基础之上进行软件设计,实现了高速的信号处理能力,保证了计算精度和实时测量要求。文中详细给出了主程序的总体框架结构以及A/D采样中断,转矩、转速计算,上位机处理等程序的模块化设计。论文采用数字信号控制器研究转矩、转速测量的方法在我所查阅的国内文献中还未见报道。
Along with the progress in science and technology and the development of productive forces, torque and rotational speed measurement technology is widely applied in motor, automobile, marine transportation, diesel engine, chemical machinery, petroleum industry, metallurgy,etc. The torque and rotational speed measurement is necessary for mechanical products’development and research, test and analysis, quality test, pattern appraisal and energy conservation, security and optimized control. Therefore, the development and production of torque and rotational speed measurement system also represent the modern level of a country’s basic industry and the scientific research.
This paper provides an overview of the research and development of torque and rotational speed measurement system at home and abroad; then makes comparation among different torque and rotational speed measurement systems in a classifed manner; at last, a torque and rotational speed measurement system is conceptually developed with the latest DSP technology. Considering the existing problems occuring in anti-interference and rapid survey during torque and rotational speed measurement as well as new demands on survey system, this system could be compatible with magnetoelectric phase difference torque & rotational speed sensors which are widely used in domestic labs. This paper proposes solutions for real-time online detection problem in mechanically-driven system. In addition, this paper also addresses survey interference errors of magnetoelectric phase difference torque and rotational speed measurement system during motor operation driven by converter, so as to improve system ability to identify interference signals.
Equipped with RS-232 interface, this system could easily communicate with PC, generate torque and rotational speed dynamic curves through the mass data sotrage and data processing results in PC.
Comparing all possible feasible schemes achieved by functional modules, this paper discusses the module circuit designs within the system according to development requirements with the adoptation of Digital Signal Controllers dsPIC30F6014 manufactured by Microchip, including sensor input signal sampling and regulating circuit, power supply circuit, LCD display interface circuit, PC communication and keyboard interface circuit, etc. This measurement system implements software design
引文
[1] 张有颐. 转矩测量技术. 北京:计量出版社, 1986.
[2] 闫晓强,张海,杨舒拉. 轧机扭矩遥测系统. 冶金设备, 2001, 130(6):63-65, 32
[3] Sackfield A, Barber JR, Hills DA, et al. A Shrink-fit Shaft Subject to Torsion. European Journal of Mechanics A/Solids. 2002, 21(10): 73-84.
[4] 商维绿,缪德源,钱顺章,黄险峰. 现代扭矩测量技术. 上海交通大学出版社. 1999.10
[5] 贾宏光,吴一辉,王立鼎. 微小扭矩动态测量. 光学 精密仪器, 1998,6(2):61-63
[6] 欧扬,张纪龙. 扭矩测试的发展动态和发展方向. 华北工学院学报, 1996, 17(1): 46-47
[7] 文西芹,张永忠. 扭矩传感器的现状与发展趋势. 仪表技术与传感器, 2001(12):1-3
[8] 陈柯行,王刚. 转矩转速传感器的发展与研究. 航空计测技术, 2003, 23(6): 5-6
[9] 孙训方. 材料力学. 北京: 高等教育出版社, 2002.8
[10] D.W. Auckland, S. Sundram, R .Shuttleworth , et al. The Measurement of Shaft Torque Using an Optical Encoder. J Phys. Sci Instrum, 1984,17(5):1193-1198
[11] Hoogenboom L, Hull-Allen Gergory, Steven W. Fiberoptic and Laser Sensors. Proc SPIE,1984,478:46~57
[12] 黄豪彩,黄宜坚,吴亚楠. 虚拟转矩、转速仪的研制. 仪表技术与传感器, 2004(7): 8-9
[13] 陈培玉,阙沛文. 单片机控制的扭矩测试仪. 机电工程, 2003, 20(4): 15-17
[14] 张军. 虚拟式扭矩功率测量仪的研究. 振动、测试与诊断, 2000, 增刊: 20-21
[15] 卓清锋,刘和平. 单片机式高精度转矩转速效率仪的研究. 电工技术杂志, 2000, 5: 28-29
[16] Jin B; Chen XZ; Leung WS. Development and applications of advanced intelligent instruments for dynamic torque-speed measurement Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1994. IECON '94., 20th International Conference on , 1994: 2, 5-9
[17] Harada K, Sasada I. A New Torque Transducer Using Stress Sensitive Amorphous Ribbons. IEEE Trans on Magn. MAG-18,1982(6):1767
[18] Sasada I, Uramoto S, Hara K. Non-contact torque sensors using magnetic heads and a magnetostrictive layer on the shaft. IEEE Trans on Magn. MAG-22, 1986(5):406.
[19] Son D,Lim S J,Kim C S.Non-contact Torque Sensor Using the Difference of Maximum Induction of Amorphous Cores.IEEE Trans on Magn.MAG-28,1992, (5): 2205
[20] 孟臣,李敏. JN338 智能数字式转矩转速传感器及其应用. 国外电子元器件, 2003, 11: 56-58
[21] 北京三晶现代科技集团传感器事业部. JN338 数字转矩传感器使用说明书
[22] 刘安国,冯浩,刘玉军,孙标. PLD 在光栅转矩测量系统中的应用. 控制工程, 2003, 10(1):90-91
[23] 冯浩,刘玉军,陈定国. 光栅转矩测量系统的研究. 浙江工业大学学报, 2002, 30(2): 161-162
[24] Rudd RE, Kline BR. Fiber optic torquemeter design and development. ISA Trans, 1989, (2): 19-23
[25] 湖湘测控仪器有限公司. TI-2 扭矩转速功率测试仪使用说明书
[26] 四川诚邦测控技术有限公司. CB2000 卡式扭矩仪使用说明书
[27] 陆振国,张会华,倪国芬. 转矩测量仪. 航空精密制造技术, 1996, 32(2): 41-42
[28] 成都城邦动力测试仪器有限公司. NJ 型转矩转速传感器使用说明书. 2003
[29] 赵尔沅,周利清,张延平. 数字信号处理实用教程. 北京: 人民邮电出版社, 1996:55-60
[30] 王朝英,冯新喜. 信号处理原理. 北京: 清华大学出版社, 2005:104-129
[31] 王世一. 数字信号处理. 北京: 北京理工大学出版社, 1997:100-123
[32] Heydt GT, Fjeld PS, Liu CC, et al. Applications of the windowed FFT to electric power quality assessment . IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1411-1416
[33] Harris FJ. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform. Proc. IEEE, 1978, 66(1): 51-83
[34] 叶德云,刘开培,曾惠芬. 现场可编程逻辑器件在相位差测量系统中的应用. 电测与仪表, 2002, 5:18-19
[35] 吴俊清. 相位差的数字化测量研究. 应用基础与工程科学学报, 2005, 13(1): 99-103
[36] Charke K K. Phase measurement, traceability, and verification, theory and practice . IEEE Trans. IM, 1990, 39(1): 52-55.
[37] 乔晓艳,贾莲凤. 基于虚拟仪器的相位差软件测量算法研究. 计算机测量与控制, 2003.11(6):415-417
[38] 江亚群,何怡刚. 基于加窗 DFT 的相位差高精度测量算法. 电路与系统学报, 2005, 10(2): 113-115
[39] 丁康,钟舜聪,朱小勇. 离散频谱相位差校正方法研究. 振动与冲击, 2001, 20(2): 52-53
[40] 程佩清. 数字信号处理. 北京: 清华大学出版社, 2002:120-130
[41] 刘永亮, 仇三山. 用 SPI 实现 dsPIC 与 ISD 语音芯片的通. 单片机与嵌入式系统应用, 2005.11:40-41
[42] 郑连清,余红欣,刘和平,周念成. 终端设备远程下载程序的实现方法. 电测与仪表, 2006, 2: 55-56
[43] 唐妙然,苗世洪,刘沛. 基于 dsPIC30F 处理器的一种新型保护装置平台的研究. 继电器, 2006, 4 :10-11
[44] 梁海浪,蔡李隆. dsPIC30F6014 内部 EEPROM 读写 C 程序设计及其应用. 电子产品世界,2005.11:96-97
[45] dsPIC30F 系列概述. 微芯公司
[46] dsPIC30F Refrence Manual. Microchip Technology Inc[Z].
[47] dsPIC30F6014 Data Sheet High Performance Digital Signal Controllers[Z]. Microchip Technology Inc
[48] 王志宏. 单片机与 PC 机的串口通讯. 现代电子技术. 2000 , 6 : 68-69
[49] 精电蓬远. 内藏 KS0108B/HD61202 控制器图形液晶显示模块的使用手册. 2004
[50] 丁元杰. 单片微机原理及应用. 北京: 机械工业出版社, 1999: 58-63
[51] 周果宏,罗述谦,罗起. Delphi 程序设计. 北京: 清华大学出版社, 2001 : 20-30
[52] 林鹏. Delphi 编程环境下串行通信技术浅析. 中国科技信息, 2005 , 24 : 112
[53] 徐克奇,吴伟昶. Delphi 编程中串行通信的几种方法. 微机算计信息. 2001 , 17(4) : 35-36
[54] 杜松,李小兵. 用 PComm 实现多线程串口数据接收. 中国测试技术. 2004 , 30(3): 59-61
[55] 杨俊永,蒙建波. Windows 平台串行通信编程方法及其在导航系统中的应用. 自动化与仪器仪表, 2003, 1 :28-29
[56] 张生,鲁文,魏赟,邵清. 基于现场总线和 Delphi 的污水厂监控系统. 上海理工大学学报, 2006, 28( 2): 178-179
[57] Moxa PComm Library 帮助文档
[2] 闫晓强,张海,杨舒拉. 轧机扭矩遥测系统. 冶金设备, 2001, 130(6):63-65, 32
[3] Sackfield A, Barber JR, Hills DA, et al. A Shrink-fit Shaft Subject to Torsion. European Journal of Mechanics A/Solids. 2002, 21(10): 73-84.
[4] 商维绿,缪德源,钱顺章,黄险峰. 现代扭矩测量技术. 上海交通大学出版社. 1999.10
[5] 贾宏光,吴一辉,王立鼎. 微小扭矩动态测量. 光学 精密仪器, 1998,6(2):61-63
[6] 欧扬,张纪龙. 扭矩测试的发展动态和发展方向. 华北工学院学报, 1996, 17(1): 46-47
[7] 文西芹,张永忠. 扭矩传感器的现状与发展趋势. 仪表技术与传感器, 2001(12):1-3
[8] 陈柯行,王刚. 转矩转速传感器的发展与研究. 航空计测技术, 2003, 23(6): 5-6
[9] 孙训方. 材料力学. 北京: 高等教育出版社, 2002.8
[10] D.W. Auckland, S. Sundram, R .Shuttleworth , et al. The Measurement of Shaft Torque Using an Optical Encoder. J Phys. Sci Instrum, 1984,17(5):1193-1198
[11] Hoogenboom L, Hull-Allen Gergory, Steven W. Fiberoptic and Laser Sensors. Proc SPIE,1984,478:46~57
[12] 黄豪彩,黄宜坚,吴亚楠. 虚拟转矩、转速仪的研制. 仪表技术与传感器, 2004(7): 8-9
[13] 陈培玉,阙沛文. 单片机控制的扭矩测试仪. 机电工程, 2003, 20(4): 15-17
[14] 张军. 虚拟式扭矩功率测量仪的研究. 振动、测试与诊断, 2000, 增刊: 20-21
[15] 卓清锋,刘和平. 单片机式高精度转矩转速效率仪的研究. 电工技术杂志, 2000, 5: 28-29
[16] Jin B; Chen XZ; Leung WS. Development and applications of advanced intelligent instruments for dynamic torque-speed measurement Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1994. IECON '94., 20th International Conference on , 1994: 2, 5-9
[17] Harada K, Sasada I. A New Torque Transducer Using Stress Sensitive Amorphous Ribbons. IEEE Trans on Magn. MAG-18,1982(6):1767
[18] Sasada I, Uramoto S, Hara K. Non-contact torque sensors using magnetic heads and a magnetostrictive layer on the shaft. IEEE Trans on Magn. MAG-22, 1986(5):406.
[19] Son D,Lim S J,Kim C S.Non-contact Torque Sensor Using the Difference of Maximum Induction of Amorphous Cores.IEEE Trans on Magn.MAG-28,1992, (5): 2205
[20] 孟臣,李敏. JN338 智能数字式转矩转速传感器及其应用. 国外电子元器件, 2003, 11: 56-58
[21] 北京三晶现代科技集团传感器事业部. JN338 数字转矩传感器使用说明书
[22] 刘安国,冯浩,刘玉军,孙标. PLD 在光栅转矩测量系统中的应用. 控制工程, 2003, 10(1):90-91
[23] 冯浩,刘玉军,陈定国. 光栅转矩测量系统的研究. 浙江工业大学学报, 2002, 30(2): 161-162
[24] Rudd RE, Kline BR. Fiber optic torquemeter design and development. ISA Trans, 1989, (2): 19-23
[25] 湖湘测控仪器有限公司. TI-2 扭矩转速功率测试仪使用说明书
[26] 四川诚邦测控技术有限公司. CB2000 卡式扭矩仪使用说明书
[27] 陆振国,张会华,倪国芬. 转矩测量仪. 航空精密制造技术, 1996, 32(2): 41-42
[28] 成都城邦动力测试仪器有限公司. NJ 型转矩转速传感器使用说明书. 2003
[29] 赵尔沅,周利清,张延平. 数字信号处理实用教程. 北京: 人民邮电出版社, 1996:55-60
[30] 王朝英,冯新喜. 信号处理原理. 北京: 清华大学出版社, 2005:104-129
[31] 王世一. 数字信号处理. 北京: 北京理工大学出版社, 1997:100-123
[32] Heydt GT, Fjeld PS, Liu CC, et al. Applications of the windowed FFT to electric power quality assessment . IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1411-1416
[33] Harris FJ. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform. Proc. IEEE, 1978, 66(1): 51-83
[34] 叶德云,刘开培,曾惠芬. 现场可编程逻辑器件在相位差测量系统中的应用. 电测与仪表, 2002, 5:18-19
[35] 吴俊清. 相位差的数字化测量研究. 应用基础与工程科学学报, 2005, 13(1): 99-103
[36] Charke K K. Phase measurement, traceability, and verification, theory and practice . IEEE Trans. IM, 1990, 39(1): 52-55.
[37] 乔晓艳,贾莲凤. 基于虚拟仪器的相位差软件测量算法研究. 计算机测量与控制, 2003.11(6):415-417
[38] 江亚群,何怡刚. 基于加窗 DFT 的相位差高精度测量算法. 电路与系统学报, 2005, 10(2): 113-115
[39] 丁康,钟舜聪,朱小勇. 离散频谱相位差校正方法研究. 振动与冲击, 2001, 20(2): 52-53
[40] 程佩清. 数字信号处理. 北京: 清华大学出版社, 2002:120-130
[41] 刘永亮, 仇三山. 用 SPI 实现 dsPIC 与 ISD 语音芯片的通. 单片机与嵌入式系统应用, 2005.11:40-41
[42] 郑连清,余红欣,刘和平,周念成. 终端设备远程下载程序的实现方法. 电测与仪表, 2006, 2: 55-56
[43] 唐妙然,苗世洪,刘沛. 基于 dsPIC30F 处理器的一种新型保护装置平台的研究. 继电器, 2006, 4 :10-11
[44] 梁海浪,蔡李隆. dsPIC30F6014 内部 EEPROM 读写 C 程序设计及其应用. 电子产品世界,2005.11:96-97
[45] dsPIC30F 系列概述. 微芯公司
[46] dsPIC30F Refrence Manual. Microchip Technology Inc[Z].
[47] dsPIC30F6014 Data Sheet High Performance Digital Signal Controllers[Z]. Microchip Technology Inc
[48] 王志宏. 单片机与 PC 机的串口通讯. 现代电子技术. 2000 , 6 : 68-69
[49] 精电蓬远. 内藏 KS0108B/HD61202 控制器图形液晶显示模块的使用手册. 2004
[50] 丁元杰. 单片微机原理及应用. 北京: 机械工业出版社, 1999: 58-63
[51] 周果宏,罗述谦,罗起. Delphi 程序设计. 北京: 清华大学出版社, 2001 : 20-30
[52] 林鹏. Delphi 编程环境下串行通信技术浅析. 中国科技信息, 2005 , 24 : 112
[53] 徐克奇,吴伟昶. Delphi 编程中串行通信的几种方法. 微机算计信息. 2001 , 17(4) : 35-36
[54] 杜松,李小兵. 用 PComm 实现多线程串口数据接收. 中国测试技术. 2004 , 30(3): 59-61
[55] 杨俊永,蒙建波. Windows 平台串行通信编程方法及其在导航系统中的应用. 自动化与仪器仪表, 2003, 1 :28-29
[56] 张生,鲁文,魏赟,邵清. 基于现场总线和 Delphi 的污水厂监控系统. 上海理工大学学报, 2006, 28( 2): 178-179
[57] Moxa PComm Library 帮助文档