（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的机械传动试验台测控系统设计与研究.pdf

两华大学硕+ 学位论文 基于d s p 的机械传动试验台测控系统设计与研究 机械制造及其自动化专业 研究生梅强昊指导教师秦小屿 机械传动是应用最为普遍的传动方式，机械传动试验台是用来对机械传动 装置进行综合性能测试的试验平台。它可以为机械传动装置或部件的开发提供 准确而且完备的设计依据，并对产品的功能进行验证，对其性能予以评估，是 种多功能的试验设备。实时、精确的机械传动试验台测控系统可以实现对机 械传动系统的性能、寿命进行准确测试和分析，为产品设计和质量评价提供可 靠的科学依据。因此对机械传动试验台测控系统的研究具有特别重要的意义。 论文主要围绕机械传动试验台测控系统这一主题而展开，首先介绍了目前 典型机械传动试验台的结构形式，机械传动试验台及其测控系统的研究现状， 并结合实际条件设计机械传动试验台的主要功能模块。然后对比分析各种数字 化测量相位差方法，选择精确的基于全相位f f t 频谱分析测相算法，通过数字 信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来完成算法的实现。结合测控系统设计要求，对系 统各个模块硬件电路进行设计，主要包括磁电式相位差型转矩转速传感器输出 信号的采样和调理电路，频率检测电路，上位机通信电路，液晶显示接口电路 等。针对硬件电路实现的功能进行软件设计，借助数字信号处理器的高速数据 处理能力，保证计算精度，满足实时测量需求。文中详细给出了主程序的总体 框架结构以及可控放大、a d 采样，传动参数计算，串口通信，液晶显示程序 的框架及部分源代码。结合机械传动系统试验需求及机械传动试验台的组成， 开发界面友好、功能完备的试验台上位机测控系统软件。测控系统上位机软件 在w i n d o w s 操作系统下利用v i s u a l c + + 6 0 开发，采用面向对象和可视化的设 计方法，提高了开发效率，操作界面直观，使用方便。 由于时间和实验条件的限制，仅对测控系统的部分模块进行了调试，结果 表明能够达到机械传动试验台测控系统设计要求，系统的整体性能调试尚待进 步完善。通过对数字信号处理器为核心的机械传动试验台测控系统研究，探 两华大学硕十学位论文 索出提高测控系统实时、精确测量性能的新途径，满足了高速机械传动系统较 高的测量需求，可为机械传动装置设计和评价提供可靠依据。 关键词：数字信号处理器，机械传动，测控系统，相位差 d e s e i g n a n dr e s e a r c h 。fm 9 c ，a n 沁a 1 j 答而黜x p e r i m e n t p l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m b a so ne qu 3 工 m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n m e c a n d i d a t e ：m e iq i a n g h a o s u p e r v i s o r ：q i nx i a o 。y u t h em o s t c o 瑚l o na p p l i c a t i o n o ft r a n s m i s s i o n m e t h o d l sm e c h 锄c a l t m s m i s s i o ns y s t e m ，m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nt e s t b e dh a sd e t e c t l o nc a p a b i l i t y t o c o m p l e t ei n t e g r a t e dt e s tf o rt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m , i t c a l lp r o v l d ea c c u m t ea n n s e l c o n t a 洫e dd e s i g ng i s tf o rt h ed e v e l o p m e n to f m e c h a n i c a lt r a n s r n l s s l o n s a n d c o 脚o n e n t s ，v e n f yt h e f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ef o rt h ef i n a lp r o d u c t s i t 1 sa m u l t i 如n c t i o n a ld e v i c e e x a c tt e s ta n da n a l y s i so f m e c h a n i c a lt r a n s m l s s l o ns y s t e m p e 渤舢a n c ec a l lb ea c h i e v e db yar e a l - t i m ea n da c c u r a t em e c h a n i c a l t r a n s 衄s s l o n e x p e r i m e n tp l a t f o 彻c o n t r o ls y s t e m ，a n d r e l i a b l es c i e n t i f i cg i s tc a nb ep r o v l d e db y t h es y s t e mf o rp r o d u c td e s i g na n dq u a l i t ye v a l u a t i o n i ti sp a r t i c u l a r l ys l g n i f i c a n t t h a tr e s e a r c ho fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t p l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m a tm eb e g i 仰i i l g ，“sp a p e ri n t r o d u c e st h et y p i c a l m e c h a n i c a lt m n s m l s s l o n t e s tb e ds t m c t u r e 锄dt h es t a t u so fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e n m e n tp l a t t o m c o n t r o ls y s t e m i nl i g h to fa c t u a lc o n d i t i o n s ，t h ee s s a yd e s i g n s t h em a mm o d u l a r c t i o n so fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nt e s t b e d t h e n i tc o m p a r e st h ed 埘gt a ip h a s e d i 饿r e n c em e a s u r i n gm e t h o d ，a n dc h o o s e st h ep r e c i s et e c h n i q u e ，a l lp h a s e 卜f l s p e c t m ma n a l y s i sm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m , a n dt h ea l g o r i t h m i sa c h i e v e db yt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e n t h ep a p e rd e v e l o p sc u u l t st o c o m b i n ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so fe a c hm o d u l es y s t e m , t h e y i n c l u d es a m p l i n g c i r c u i to ft h es e n s o ro u t p u ts i g n a l ，f r e q u e n c yd e t e c t i o nc i r c u i t ，p cc o n l m u n i c a t i o n s c i r c u i t i 1 1 t e r f a c ec i r c u i t ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i t ，e t c o n t h eb a s i so ft h e h i g h s p e e dd a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sb y u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d e s l g n i n g s o 脚a r et oa t h i e v eh i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gc o m p l e t e t h ea c c u r a c y a n d 西华大学硕士学位论文 r e a l - t i m em e a s u r e m e n t s t h eo v e r a l lf r a m e w o r ka n ds t r u c t u r eo ft h em a i np r o g r a m a r eg i v e n ，s u c ha sc o n t r o l l a b l ez o o m ，a ds a m p l i n g ，t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，p r o c e s so fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , e t c at e s t - b e dc o n t r o ls o f t w a r ei s d e v e l o p e d i th a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o m p l e t ef u n c t i o n s t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s d e v e l o p e db yv i s u a lc + + 6 0b a s e do nt h ew i n d o w s w i t ht h eo b j e c t o r i e n t e da n d v i s u a ld e s i g nm e t h o d s ，t h ee f f i c i e n c yo fd e v e l o p m e n ti si m p r o v e d ，a n dt h ei n t e r f a c e o ft h es y s t e mi si n t u i t i v e d u et ol i m i t e dt i m ea n d e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e ro n l yd e b u g p a r t i a lm o d u l es e p a r a t e l y ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e yc a n a c h i e v et h ed e s i r e d f u n c t i o n ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a v et o u l t e r i o r l ye n h a n c e t h i sp a p e re x p l o r e san e wa p p r o a c ht oi m p r o v er e a l t i m ea n d a c c u r a t em e a s u r e dv a l u et h r o u g hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o ra st h ec o r eo ft h e m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m ，i tf u f i l l sa h i g h e r d e m a n do fm e a s u r e m e n tf o rt h eh i g h s p e e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n d p r o v i d e sar e l i a b l eg i s tf o rd e s i g n i n ga n de v a l u a t i o no fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n s k e y w o r d s ：d s p , m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ， p h a s ed i f f e r e n c e 两华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密嘭适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：移獬 醐：r 7 指导教师签名： 毒 繁3 、城 日期：口夕、7 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 物彳躲 导师签名：专j 、於 岛e l 伊剧日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 人类为了生存的需要，创造了各种各样的机械以达到减轻体力劳动和提高 生产率的目的。随着社会的进步，机械己从最初的简单工具发展到现在的多功 能、结构复杂的现代化系统。 中小功率的机械传动产品有着广泛的应用。这一类产品的主要功能和目的 是将其它形式的能量转化为可以直接利用的形式，同时实施规定的运动，完成 相应的工作，而所有这些功能和目的都必须通过机械传动装置来完成，因而， 机械传动装置在其中担任着重要的角色。从某种意义上说，机械传动装置性能 的好坏决定了机械传动系统的综合性能。 通常一种新的机械产品从诞生到使用要经历设计、试制、定型、大规模生 产、销售等环节，上述各环节无不渗透着对产品优异性能和可靠质量的不懈追 求。而对机械传动装置的测试和实验包括性能测试( 如效率、功率、噪声、振 动等特性) 、运行监测、故障诊断等，是完善一切机械产品的设计、制造的手 段和方法以及评价设备性能优劣等不可或缺的重要内容，也是设备安全、稳定 运行的重要保障f 】j 。 机械传动系统是应用最为普遍的传动装置及机器中的重要部件之一，随着 科学的发展、技术的进步，机械传动系统的传动方式、方法、承载能力都有了 迅速的发展，人们对产品性能和产品质量提出了更高更严格的要求【2 】。通过机 械传动试验台对机械传动系统的性能、寿命进行测试和分析，为产品设计与质 量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量，适应产品 小批量、多品种的发展趋势。因此，对机械传动试验台的深入研究，为机械传 动部件和装置的综合机械性的评定提供精确、可靠、丰富的试验数据将具有十 分重要的实际应用意义，而且许多机械新产品既要向更大功率、更高速度、更 高效率的方向发展，又要向更小的设计裕度方向加速发展，迫切要求机械传动 试验台测控系统能为机械传动系统的设计提供科学数据。因此，对机械传动试 验台测控系统的研究具有特别重要的意义。 两华大学硕+ 学位论文 1 2 机械传动试验台的研究现状及发展趋势 机械传动试验台是研究各种齿轮传动、带传动及无级变速传动的传动性 能、评价产品质量的重要设备。通过试验来检验传动装置设计的合理性，加工、 制造、装配和调试的工艺性。对试验结果的深入分析将有助于了解和评定传动 部件和装置的综合机械性能，同时也为工程设计人员提供实践的参考资料和设 计依据。随着机械工业的发展和科研水平的不断提高，对机械传动产品的实验 与检测手段不断提出了更高的要求。 国外较早地就开始了这方面的研究，如美国g l e a s o n 公司在五十年代就设 计出了用轮系作为加载系统的机械传动试验平台。比较著名的还有美国国家航 天局( n a s a ) 下属l e w i s 研究中心、前苏联中央机械制造与设计研究院、美国 通用动力公司、德国r e n k 公司、日本明电舍动力公司、目本丰田汽车公司、 美国伊利诺斯大学机械工程系、法国s k o d a 公司等。从试验台方案的设计到最 终的样品制造他们都进行了大量的研究工作，形成了系列化的设计模式。 与国外相比，国内对于机械传动试验台的研究起步相对较晚。研究工作始 于八十年代初期。国内较早从事这方面研究工作的主要单位有重庆大学、郑州 机械研究所、长春汽车研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学、合肥工 业大学、西安减速机厂、西安公路交通大学等单位。他们先后建立了各种形式 的机械传动试验台，这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进 步，积累了丰富的经验，代表了我国机械传动试验设备的发展水平p j 。 1 3 机械传动试验台测控系统的研究现状及发展趋势 随着计算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理等系统性能 的巨大改进，出现了将自动测试技术、计算机控制技术和通信技术的进展结合 起来的良好时机【4 】。在短短几年的时间里，测控工业就经历了一场彻底改变测 控技术决策的革命。自九十年代以来，在实验室和工业自动测控领域出现以下 动向： o i b mp c 机迅速普及，工业p c 机出现，不断更新换代，性能价格比不 断提高，加之丰富的软硬件支持，易开发调试，人们纷纷采用p c 系列计算机。 西华大学硕士学位论文 适合计算机测量的频率量传感器迅速兴起，如测转速、角度的光轴编码 器，测转速转矩的磁电传感器，测流量的涡轮流量计等。 高新技术的发展，提出了高新的要求，比如动态测试、在线测控。 有用户提出用p c 机测控系统进行标准频率、相位控制的要求，以取代 专用电子设备。 在以上背景下，基于p c 总线的计算机测控系统得到了广泛的应用。随着 自动控制理论、自动检测技术以及计算机技术( 包括计算机硬件技术、软件技 术以及网络技术) 的不断发展与进步，加之集散控制系统( 简称d c s ) 在测控系 统中的全面应用，计算机测控系统的自动化程度、控制精度以及系统性能越来 越高，加快了工业控制过程中的自动化进程，测控系统正沿着计算机化、标准 化和网络化向前发展。 机械传动试验台的测控系统与试验台的水平发展有直接的关系。比较初期 的试验台，基本上没有设计什么控制系统，只对电机采取了某些简单的保护。 后来，液压控制或继电器控制引入机械传动试验台的控制系统，才逐步增加控 制、显示内容，功能也不断完善，其结果使试验台的水平向前迈进了一步。近 几十年的计算机技术的发展给机械传动试验台的测控系统带来巨大冲击，传统 的液压控制或继电器控制系统正在逐渐的被计算机系统所代替。目前，国内的 试验台已基本完成了测控系统的计算机化。 国外一些先进的试验台，其测控系统早已实现了计算机化，并已深入使用 到执行机构的控制、编制程序、参数检测、监控及数据处理中。日本丰田公司 早在七十年代设计的试验台控制系统在执行机构控制模块中就采用了微计算 机，从而提高了整个装置的自动化水平及可靠性，使其在自动运行工况下，能 对六个测试项目的二十一个参数进行控制。八十年代初期，该公司在原有实验 台的基础上，对控制系统进行了改造革新，采用四台微机分别对试验台进行控 制。在系统内还采用了校正系统及集中监控装置等；这个控制系统可以作为主 计算机的一个终端，又可以作为一个独立控制系统；它具有功能分散，调整方 便等优点。随着计算机集中控制技术的进一步发展，丰田公司后来采用主计算 机、小型计算机、试验台控制微机所形成的三级计算机控制系统，以对发动机 试验室、传动系试验室等进行集中控制及数据处理。这种系统的操作极为方便， 西华大学硕士学位论文 若出现误操作，在系统的显示屏上不仅能指出动作错误并能显示出正确的操作 步骤。除此，还有故障诊断功能，进行寿命及频谱分析等。在控制系统上，现 代传动试验台已经广泛地应用计算机技术和现代控制理论来实现试验过程的 自动控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的自动监测、 保护等功能。在数据测量系统上，大多采用计算机自动测量技术来实现数据的 自动采集，如湘仪动力测试仪器厂生产的以i n f i n e o n 公司c 1 6 6 系列微型计 算机为核心的j x 3 型机械效率仪和j c y 型机械传动性能综合测试实验台，其 它还有用单板机、单片机、a p p l e 计算机、工控机为核心的数据采集系统。 目前，国内的试验台测控系统主要采用单片机为核心的数据采集处理系 统，但其硬件模拟滤波不能很好地滤除干扰，从而导致测量不准确。以数字信 号处理器为核心的测控系统成为未来发展方向，提高测控系统的实时性能，以 满足机械传动系统向高速方向发展要求较高的测量精度要求。 1 4 论文研究的主要内容 故本文采用数字信号处理器( d s p ) 为主控芯片构成测控系统，一方面可 以利用d s p 强大的运算能力来实现相位差测量算法；另一方面，我们应用d s p 结合相应的硬件电路和软件编程，可增强测控系统的实时性，以满足测量技术 和控制技术的进步对转矩、转速测量所提出的新要求。本文研究的主要内容如 下： 根据机械传动试验获取转矩、转速等测量数据要求，对试验台的主要功 能模块进行设计。 依据数字信号处理原理，结合系统中转矩、转速测量的实际问题，寻求 一种可靠、高效、实用的转矩、转速测量算法。 根据测控系统的功能要求，完成相应的硬件设计，包括模拟信号的采样 调理电路、频率检测电路、显示接口电路、通信接口电路等，并制作电路板。 根据测控系统要实现的功能和设计的硬件电路，完成系统下位机软件的 规划以及各个功能子程序模块的设计和调试。 根据测控系统要实现的功能，完成系统上位机软件的规划以及各个功能 子程序模块的设计和调试。 4 两华大学硕士学位论文 2 机械传动试验台的总体设计 2 1 机械传动试验台的基本概念 机械传动试验台一般由驱动装置、加载装置、测量装置、被测试装置等四 部分组成，其基本组成如图2 1 所示。 f i 9 2 1m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nt e s tb a s i cb l o c kd i a g r a m 图2 1 机械传动试验台基本框图 图2 1 中，驱动装置为试验台提供动力，经测量装置传递到加载装置。测 量装置用来检测动力传递过程中的一些基本机械参量，主要有转速、扭矩、功 率、效率等。通常用作驱动装置的有发动机、电动机等；用作测量装置的为转 速一扭矩传感器、编码器、效率仪、专用测控系统等；用作加载装置的有齿轮 箱、发电机、液压缸、磁粉制动器、电涡流测功机等。试验台根据其功率的传 递原理和加载方法的不同，可分为开放功率流式和封闭功率流式两类p j 。所谓 开放功率流，就是机械传动装置所传递的功率由原动机传来，经过传动装置和 试验装置中的全部传动件，最后传递至耗能装置中，由耗能装置即加载装置将 其全部消耗，并借助耗能装置给被测装置加载。功率传递的流向未形成封闭回 路，故称其为开放功率流式试验台，图2 2 为开放功率流式试验台构成框图。 f i 9 2 2o p e np o w e rf l o wt e s tb l o c kd i a g r a mf o r m 图2 2 开放功率流式试验台构成原理框图 图中符号的意义：一功率流一卜数据流控制流 西华大学硕士学位论文 这种试验台的加载装置为纯耗能元件，此类试验设备的关键部件之一即为 耗能加载装置。目前采用的耗能加载装置有机械制动器式、磁粉制动器式、电 磁涡流消功器式、水利涡流消功器式和电机消功器式等。开放功率流式试验台 的主要优点是：结构简单，体积小，可在运行中对被测装置加载，制造、安装 方便，加载稳定可靠，能方便地进行不同结构尺寸的被测装置的安装测试，但 由于功率流开放的缘故，使其动力消耗大，造成能源的极大浪费，试验费用高 昂，对于各类齿轮传动装置的寿命试验，这点显得尤其突出。这是开放功率流 式试验台固有的缺点，故此类试验台多用于中、小功率非长期运转的试验 5 1 。 鉴于开放功率流式试验台功率消耗大，试验费用高，能源浪费严重等缺点， 近年来又发展了封闭功率流式试验台。所谓封闭功率流就是指能量传输的路线 在整个试验台上形成一个闭合回路。封闭功率流式试验台构成原理如图2 3 所 示。它是用加载装置，即换能器将所消耗能量的一部分转换为其它形式的能量 再回输给系统，从而达到即加载又节能的目的。因此，在现代被测装置的性能 试验中，愈来愈广泛地采用该类试验台。 根据能量转化的方式不同，封闭功率流式试验台又分为机械功率流封闭式 试验台和电功率封闭式试验台两种类型。电功率封闭式试验台由于其组合方 便，互用性好，结构简单，加载精度高，节能效果好，操作控制方便等优点， 越来越多地应用于齿轮传动装置的检测试验中。电功率封闭式试验台又可分为 交流电封闭和直流电封闭两种1 6 7 j 。 6 f i 蛇3c l o s e dp o w e rf l o wt e s tb l o c kd i a g r a mf o r m 图2 3 封闭功率流式试验台构成原理框图 图中符号的意义：一功率流一- 数据流控制流 西华大学硕士学位论文 目前，作为产品的交流电封闭试验台是采用电动机一发电机组驱动，驱动 效率低，能量传输环节多，环路损失大，且其控制系统复杂，占地面积大，投 资高昂，但因其维护、使用方便，故对于大功率传动试验尚多采用此类试验台。 直流电封闭试验台的驱动采用直流电动机，经被测减速器和陪试箱装置，由直 流发电机转换为直流电能又回输给直流电动机。系统的功率损耗由整流装置补 充，其能量传输环节少，环路效率高，且直流电动机易实现自动控制，故直流 电封闭功率试验台应用广泛。 2 2 机械传动试验台的组成 本文研究的试验台既可用于教学实验，亦可用于科研实验场合，实现一机 多用、资源共享，提高设备使用效率。因开放功率流式试验台结构简单，体积 小，可在运行中对被测装置加载，制造安装方便，加载稳定可靠，能方便地进 行不同结构尺寸的被测装置的安装测试，故选择此种架构来进行中、小功率非 长期运转的试验。 试验台的基本构造框图如图2 4 所示： f i g2 4m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mb l o c kd i a g r a m 图2 4 机械传动试验台构成框图 标准配置的试验台可利用种类齐全的动力模块、传动模块、支承联接及调 节模块、加载模块、测试模块、工具模块及数据处理模块，通过对各模块的选 择及装配搭接，可以进行有关典型机械传动装置，如：“带传动 、“链传动”、 “齿轮传动 、“蜗杆传动 及其它新型传动装置等的基本实验，更可进行多级 西华大学硕士学位论文 组合传动系统，如：“带齿轮传动”、“齿轮一链传动 、“带链传动 、“带齿轮 链传动”等多种传动系统实验。 2 2 1 动力装置 驱动装置选用可进行变频调速的变频电机，与可调速的直流电机相比具有 性能稳定，易自动控制等特点【8 】。为了测试不同转速下传动机构的性能，本实 验台采用了交流电动机变频调速传动系统，它由变频调速电机和变频器组成。 根据感应电动机的原理，电动机的转速n 、电动机的同步转速n 。、转差率s 、 激磁电源的频率和绕组极对数p 之间的关系为： n = 刀，( 1 - s ) = 6 0 “1 一s ) p ( 2 1 ) 可以看出，当转差率s 和绕组对数p 一定时，改变激磁电源的频率，即可 改变电机的同步转速1 1 。和输出转速1 3 ，这就是变频调速的基本原理。变频器的 作用就是调节电动机的供电频率，以实现电机的调速一j 。 交流电动机额定转数是在频率为5 0 h z 条件下给出的，改变输入频率既可 改变交流电动机的转速，但输出功率也产生变化。改变电动机输入频率的交流 变频器，其除具有改变交流电频率的功能之外，还可控制电动机的启动升降速 时间及过载保护。值得注意的是变频器的特性是输出频率与输出电压的比值为 常数，当输出频率降低时输出电压也随之降低，为保证输出功率就必需加大输 出电流，普通变频电动机降速使用时因电流超过额定电流加之通风不良将引起 发热和击穿子线圈，所以普通变频电动机降速使用是有一定范围限制的【】o j 。 2 2 2 转矩转速传感器 ( 1 ) 扭轴扭转角测转矩 当扭轴受扭矩时，沿轴向相距为l 的任意两截面之间，将产生相对扭转 角西( r a d ) ，等截面圆柱形扭轴的变形可按下式计算： = 丝 ( 2 2 ) g j e 式中：m 为转矩( n 木m ) ；g 为弹性轴的剪切弹性模数( p a ) ；j p 为轴体 两华大学硕士学位论文 截面的极惯性矩( m ? ) ；l 为弹性轴的工作长度( m ) 。当轴体为实心圆截面时： 以：譬。4 d 为弹性轴直径，当轴体为环形截面( 外径d ，内径d ) 时： ( 2 - 3 ) 以：丁万( 0 4 - d 4 ) ；。1 ( d 4 一d 4 ) ( 2 - 4 ) 扭轴扭转角示意图如下所示： ， h i l f i 9 2 5d i a g r a mo f t o r s i o n a la n g l ef o rw r i n ga x i s 图2 5 扭轴扭转角变位简图 ( 2 ) 磁电式相位差型转矩、转速传感器原理 机械传动试验台采用成都诚邦动力测试仪器有限公司生产的n j 型磁电式 相位差型转矩转速传感器，其工作原理如图2 6 【1 2 】。 弹性轴 。 戚。 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 1j _ 一一一一鬟 萝一一一一 ，_ 一一一一一 _ j1 _ n 一 。蚶 一) * 自m “ f i 薛6o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f n jt o r q u er o t a t i o n a ls e n s o r 图2 6n j 型转矩、转速传感器工作原理 9 f 簋 ：吐 西华大学硕十学位论文 n j 型转矩转速传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组磁电信号发生器， 把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的 频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。 在弹性轴的两端安装有信号齿轮，两齿轮的上方各装有一个信号线圈，在 信号线圈内均装有磁钢，它们与信号齿轮一起组成磁电信号发生器。当信号齿 轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底 部，使气隙磁场产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使 线圈中感生出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴 的转速成正比，因此可以用来测量转速；这两组交流电信号之间的相位差与信 号线圈及信号齿轮安装的相对位置，弹性轴所传递扭矩的大小和方向有关。当 弹性轴不受扭时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相 对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差。在设计制造时，两齿轮相差半 个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在1 8 0 度左右。弹性轴受扭 时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形 范围内，相位差变化量妒与弹性扭轴的扭转角之间的关系如下： 缈= z m ( 2 5 ) 其中z 为信号齿轮齿数。由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 5 ) 可知： m = x a c p d 4 g( 2 6 ) 3 2 殂 在实际应用时，要求输入传感器的标定系数、扭矩范围和齿轮齿数，因此 该传感器的输出扭矩应该是标定系数、量程及相位差的函数。陕西理工学院姜 阔胜等经过试验和数据拟合，得到扭矩计算公式【1 3 】： 彤= 2 7 2 4 0 3 8 1 0 。6 f r a 呼o ( n * m ) ( 2 7 ) 其中：公式前面的系数是经过试验拟合得到的，f 是扭矩传感器标定系数， r 是扭矩传感器量程，单位为n m 。矽是测量得到的相位差，单位为弧度。 根据传感器工作原理，有 1 0 西华大学硕士学位论文 ( n 6 0 ) z = f ( 2 8 ) 式中：n 为弹性轴转速( r m i n ) ；f 为传感器输出信号频率( h z ) ；z 为信 号齿轮齿数。因此，转速测量可以通过对信号的频率进行测量而得。 当转矩和转速都测出来以后，就可对功率进行计算，功率p 为： p = m x n( 2 9 ) 9 5 5 0 其中p 为功率( k w ) ，1 1 为转速( r m i n ) ，m 为转矩( n 宰m ) 。 2 2 3 测控装置总体设计 测控装置采用磁电式相位差型转矩、转速传感器进行电机主轴的转矩、转 速测量，应用数字信号处理器对信号进行采样与处理，可分为五个大部分：磁 电相位差式转矩转速传感器输出信号调理部分；传感器输出信号频率检测部 分；信号数据处理及测量计算部分；键盘接口及显示部分；通过串口与上位机 通信实现数据存储及进一步处理部分。 传感器输出信号调理部分包含抗频混低通滤波器，对两台转矩转速传感器 输出的四路交流信号进行滤波、限带，使之满足数字信号处理要求；由于传感 器输出的交流电压信号的强弱和电机转速成正比，输出信号范围从几百毫伏到 几十伏之间变化，故需对输入信号进行可控放大，满足数字信号处理器的输入 要求。传感器输出信号频率检测部分是利用过零比较电路将对输入信号转换为 方波，检测方波频率然后由公式计算得到转速值。信号数据处理及测量计算部 分对输入的四路交流信号分别进行a f d 采样，选择精确的测相算法求得相应 转矩转速传感器两路信号相位差，由公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得到转矩、转 速、功率结果，并送往液晶屏显示。通过串口与上位机通信实现数据存储及进 一步处理部分把所测得的数据通过串口送入上位机，上位机程序采用v c 语言 进行编写，对数据进行再处理、分析和存储，作出被测传动库的效率曲线图。 其总体框图如图2 7 所示。 两华大学硕+ 学位论文 f i 9 2 7d i a g r a mo ft e s ta n dc o n t r o ls y s t e mg r o s ss t r u c t u r e 图2 7 测控系统总体框图 2 2 4 制动器 加载装置在整个试验台中起着很重要的作用，由于功率流的不封闭，所以 它起着加载和耗能的作用。本试验台加载装置采用磁粉制动器，其原理是利用 电磁效应下磁粉粉末间结合力和粉末与运动件的摩擦力来产生制动转矩【h 】。 与人工加载的机械式制动器，如带闸式、闸块式制动器相比，磁粉制动器具有 制动力矩的大小与通入它的直流电的大小成正比，且与转速的大小无关，易实 现、自动控制等特点。计算机通过控制直流电大小对加载转矩进行程控调节。 磁粉制动器具有定子和转子两个相对运动部件的旋转机械。定子和转子都由磁 性导磁材料制成，定子和转子间的工作间隙充满磁性导磁磁粉。当定子上的激 磁线圈通入激磁电流时，磁粉聚集而形成磁粉链，由粉末间的磁性结合和粉末 与两运动件的摩擦力来传递力矩。激磁电流增大，所传递的转矩也随之增大， 当激磁电流增至一定值时，导磁材料发生磁饱和，所传递的转矩也呈饱和状态。 当中断激磁电流时，磁粉失去束缚，处于松散状态，因此基本上不传递力矩。 磁粉制动器在测试之前，一定要先通水，测试后，待温度降低才能停止供水。 磁轭表面温度应控制在8 5 0 c ，若温度过高，应用鼓风机进行吹风冷却，或降 低进水温度，特别是夏天应改善散热条件。 1 2 两华大学硕十学位论文 磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，激磁电流和传递转矩 基本成线性关系。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度 快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、 性能优越的自动控制元件。广泛应用于各种机械中不同目的的制动、功率测试 加载、放卷张力的控制等。 ( 1 ) 激磁电流一力矩特性 激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大 小。其特性如图2 8 所示。 f i 9 2 8c h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i z i n gc u r r e n ta n dt o r q u e 图2 8 激磁电流一力矩特性 ( 2 ) 转速一力矩特性 力矩与转速无关，保持定值，静力矩和动力矩没有差别。其特性如图2 9 所示。 ( 3 ) 负载特性 f i 9 2 9c h a r a c t e r i s t i co fs p e e da n dt o r q u e 图2 9 转速一力矩特性 西华大学硕十学位论文 磁粉制动器的允许滑差功率，在散热条件一定时，是定值。其连续运行时， 实际滑差需在允许滑差功率以内，使用转速高时，需降低力矩使用。其特性如 图2 1 0 所示。 m ( n m o f i 9 2 1 0l o a dc h a r a c t e r i s t i c 图2 1 0 负载特性 2 3 机械传动试验台测控系统的总体设计目标 结合现阶段国内各个厂家的机械效率仪的技术性能， 1 5 】【1 6 】旧我们确定了 本测控系统所应达到的测量技术指标，能与各种量程的磁电相位差式转矩转速 传感器配套使用。 测量系统输入信号幅度：1 0 0 m v 一1 0 v 测量系统输入信号频率：1o h z _ _ 6 i z 转矩测量精度：0 2 转速测量精度：o 3 2 4 本章小结 本章主要介绍了机械传动试验台的基本概念，设计了试验台方案组成部分 各个模块，确定了测控系统的总体设计目标。 1 4 西华大学硕+ 学位论文 3 机械传动试验台测控系统硬件设计 3 1 数字信号处理基础 3 1 1 数字信号处理过程 数字信号处理是从二十世纪六十年代以来，随着信息科学和计算机科学 的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。简言之，即把信号用数字或符号 表示的序列，通过计算机或通用( 专用) 信号处理设备，用数字的数值计算方 法处理，以达到提取有用信息便于应用的目的。数字信号处理系统的构成框图 如图3 1 所示 1 8 】： f i 9 3 1s i m p l eb l o c kd i a g r a mo f d s p s y s t e m 图3 1 数字信号处理系统简单方框图 实际的系统并不一定要包括它的所有框图。有些系统只需数字输出，可直 接以数字形式显示或打印，就不需要d a 变换器；另些系统的输入就是数 字量，因而就不需要a d 变换器；纯数字系统则只需要数字信号处理器这一 核心部分就行了。 数字信号处理系统具有以下一些明显的优点： 精度高； 灵活性高； 可靠性强； 容易大规模集成； 时分复用； 可获得高性能指标； 二维与三维处理。 两华大学硕十学位论文 3 1 2 离散傅里叶变换 傅里叶变换就是建立以时间为自变量的“信号”与以频率为自变量的“频 谱函数 之间的某种变换关系，所以，当自变量“时间 或“频率取连续值 或离散值时，就形成各种不同形式的傅里叶变换对，从数字计算的角度出发， 应用更多的为离散傅里叶变换( d f t ) 。 常用的离散傅里叶变换( d f t ) 变换对表达式如下： 正变换 从七) = n - 1 “刀) 一万2 x 础 ( 3 - 1 ) 反变换 彳( 力) = 喜_ - ，万2 z r l z x ( k ) e 础 ( 3 2 )反变换 彳( 力) = i ，五掣 ( 3 2 ) 其中x ( k ) = x ( t “) ，贰功= x ( n r ) ，n 表示有限长序列的抽样点数， t 为抽样间隔。 离散傅里叶变换可以看作是连续傅里叶变换的一种特殊形式，所处理的有 限长序列都是作为周期序列的一个周期来表示的，在时域和频域都是