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新型转矩测量系统的研究及实现

作　者: 胡香玲
导　师: 冯浩
学　校: 浙江工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 光栅转矩传感器误差非线性 CPLD 串口通信
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

转矩、转速和功率的测量是各种机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全和优化控制等工作中所必不可少的内容。现有的转矩传感器一般结构复杂，制造安装困难。2003年冯浩教授提出了一种以三相异步电动机为基准，集电机和传感器于一体化的光栅转矩传感器，这种传感器结构简单，体积小，成本低，具有较高的经济价值。本文主要工作包括： 1．总结了国内外转矩传感器的研究概况，并归纳了其缺点，针对现有转矩传感器的缺点，提出一种新的转矩测量装置。 2．通过计算，确定转矩传感器的机械参数，并以三相异步电动机为基准，设计了光栅转矩传感器的机械结构。 3．在硬件电路设计方面，利用可编程逻辑器件(CPLD)研制了集成的信号处理芯片。 4．通过对本新型转矩测量系统进行理论分析，找出了影响其测量精度的四种主要误差——CPLD的计数误差、同心度及光栅不均匀误差、转轴的非线性误差和环境温度误差，并根据误差来源提出了相应的误差处理方法。 5．对动态转矩的测量进行了研究，针对本系统提出了一种简单易行的动态转矩测量的方案。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-25
  1.1 转矩传感器研究的意义  14
  1.2 转矩测量的基本原理  14-16
    1.2.1 传递法  14-15
    1.2.2 平衡力法  15-16
    1.2.3 能量转换法  16
  1.3 国内外转矩传感器简介  16-21
    1.3.1 应变型转矩传感器  16-17
    1.3.2 磁弹性型转矩传感器  17-19
    1.3.3 电磁相位差型转矩传感器  19-20
    1.3.4 电容式传感器  20
    1.3.5 光纤传感器  20-21
    1.3.6 声表面波转矩传感器  21
  1.4 转矩传感器技术评述  21-22
  1.5 转矩传感器的发展趋势  22-23
  1.6 本论文的研究内容、预期目标和创新点  23-25
    1.6.1 研究内容  23
    1.6.2 预期目标  23-24
    1.6.3 创新点  24-25
第二章新型转矩测量系统的基本原理和总体方案  25-41
  2.1 引言  25
  2.2 一种新型光栅转矩传感器的提出  25-32
    2.2.1 光栅转矩传感器的总体结构  25-26
    2.2.2 光栅转矩传感器的工作原理  26-30
    2.2.3 转矩传感器机械结构设计  30-32
  2.3 动态转矩测量的研究  32-38
    2.3.1 动态转矩概述  32-33
    2.3.2 动态转矩测量的基本原理  33-34
    2.3.3 交流测速发电机测速原理  34-35
    2.3.4 飞轮矩GD~2的测量  35-36
    2.3.5 加速度(dn)/(dt)的测量  36-38
    2.3.6 动态转矩测试系统的构成  38
  2.4 本系统所采用的动态转矩测量方案  38-39
  2.5 系统的总体介绍和各部分功能  39-40
    2.5.1 系统的总体介绍  39-40
    2.5.2 各部分功能介绍  40
  2.6 本章小结  40-41
第三章转矩测量系统的硬件设计  41-56
  3.1 硬件系统的设计要求和总体框图  41
  3.2 单片机的选型  41-42
  3.3 硬件电路的设计  42-52
    3.3.1 信号发生模块  42-43
    3.3.2 波形转换模块  43-44
    3.3.3 整流稳压电源模块  44
    3.3.4 温度补偿模块  44-46
    3.3.5 CPLD模块  46-51
    3.3.6 串口通信模块  51
    3.3.7 数据信息存储模块  51-52
    3.3.8 显示模块  52
  3.4 硬件抗干扰  52-55
    3.4.1 看门狗电路  52-54
    3.4.2 电路板布线  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章转矩测量系统的软件设计  56-67
  4.1 上位机程序设计  56
  4.2 下位机程序设计  56-61
    4.2.1 程序结构  57
    4.2.2 主程序模块  57-58
    4.2.3 控制模块  58
    4.2.4 温度补偿模块  58-60
    4.2.5 数据处理模块  60
    4.2.6 数据存储模块  60-61
    4.2.7 显示模块  61
  4.3 上下位机串口通信软件的实现  61-66
    4.3.1 通信协议  62-63
    4.3.2 上位机程序  63-65
    4.3.3 下位机程序  65-66
  4.4 软件抗干扰  66
  4.5 本章小结  66-67
第五章测量误差分析及处理  67-75
  5.1 引言  67
  5.2 误差产生的分析  67-69
    5.2.1 CPLD计数误差  67-68
    5.2.2 同心度及光栅不均匀误差  68
    5.2.3 转轴的非线性误差  68-69
    5.2.4 环境温度误差  69
  5.3 误差的软件处理  69-73
    5.3.1 CPLD计数误差  69-71
    5.3.2 数字滤波算法  71-72
    5.3.3 转轴的非线性误差  72-73
  5.4 本章小结  73-75
第六章试验研究及性能分析  75-80
  6.1 转矩─扭角特性曲线试验  75-76
    6.1.1 实验方法  75-76
    6.1.2 实验数据  76
  6.2 新型转矩传感器的静态特性  76-79
    6.2.1 线性度  77-78
    6.2.2 迟滞性  78-79
    6.2.3 重复性  79
    6.2.4 测量误差  79
  6.3 本章小结  79-80
第七章总结和展望  80-82
  7.1 总结  80-81
  7.2 今后研究工作的展望  81-82
参考文献  82-85
附录1 部分试验波形  85-86
附录2 转矩测量系统电路图  86-87
附录3 测量系统实物图  87-88
致谢  88-89
作者攻读硕士学位期间发表的论文  89

新型转矩测量系统的研究及实现

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