專利名稱：一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量技術，特別涉及一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測
量方法。
背景技術：
越來越多的工廠采用了自動化控制，人工操作被機械或自動化設備所替代，人們要求執(zhí)行機構能夠起到控制系統(tǒng)與閥門機械運動之間的界面作用，更要求執(zhí)行機構增強工作安全性能和環(huán)境保護性能。在一些危險性的場合，自動化的執(zhí)行機構裝置能減少人員的傷害。電動執(zhí)行機構的輸出扭矩是執(zhí)行機構的一個重要參數(shù)，是保證機構控制精度與正常運行的關鍵技術指標。在現(xiàn)場操作時，為了保證機構開、關到位，同時為了保障電動機的正常運行，需要實時檢測電動機的輸出扭矩。文獻《閥門電動執(zhí)行機構故障診斷研究》指出傳統(tǒng)的轉矩傳感器，如JCZ智能轉矩轉速傳感器、JN338系列智能數(shù)字式扭矩傳感器等，不適宜安裝在空間狹小的電動執(zhí)行機構內部，且需要經常校對，對電動執(zhí)行機構的密封性不利。文獻《基于DSP的電動執(zhí)行機構的設計與實現(xiàn)》是通過檢測電動機的電流來監(jiān)測輸出扭矩，這種方法忽略了功率因數(shù)COScD的影響，檢測出的電動機輸出扭矩將產生延時，測量實時性不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在電動執(zhí)行機構的輸出扭矩測試環(huán)境適應性差的問題，提出了一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，通過瞬時能量軟測量方式來標定電動機的輸出扭矩；通過非接觸式方法來采集電動機的電流和電壓信號，增強了扭矩測量的穩(wěn)定性和抗干擾能力；采用類SPI模式采集瞬時能量，其中SPI通道帶有光電隔離器，保證了電動機輸出扭矩檢測的控制精度、實時性等。本發(fā)明的技術方案為一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法， 電流型電壓互感器和霍爾傳感器通過非接觸方式采集電動機的電壓和電流信號，經過轉換電路和濾波電路，接入到CSM60A電能芯片的電壓通道和電流通道，得到瞬時功率信號，經過時間累加，采集到M位瞬時能量信號后，以類SPI模式，經過光電隔離器輸入給DSPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片，經過計算得出電動執(zhí)行機構的輸出扭矩，所述DSPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片，其7、13引腳分別通過PS2501-2光電隔離器接到 CS5460A的SDO數(shù)據輸出、INT中斷信號引腳，其10、14、16,76引腳分別通過PS2501-4光電隔離器和MC14106BG整形電路之后接到CS5460A的DSI命令輸入、RESET復位信號、CS片選信號、SCLK時鐘信號引腳；所述的電壓互感器為TYPT31D微型精密電流型電壓互感器，其3 引腳接到三相電源的U相，2引腳分別經過電阻接到三相電源的V、W相，1引腳通過限流電阻接到CS5460A電能芯片的10引腳，4引腳通過限流電阻接到CS5460A的9引腳；所述的霍爾傳感器為20A/20mA，通過電阻轉換為電壓信號，分別接到CSM60A的15、16引腳。所述CSM60A電能芯片與DSPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片之間的數(shù)據傳輸，采用類SPI模式，即有數(shù)據請求，SPI信號有；無數(shù)據請求，SPI信號無。所述電壓通道采集電路，U、V、W三相電源的相位角度關系，經過變換轉換為電動機的單線電壓，經過變壓器轉換為0-20mA的電流信號，經過并聯(lián)與變壓器次級的精密電阻R 后轉換為電壓信號，經過RC低通濾波器輸出。所述電流通道采集電路，霍爾傳感器采集電動執(zhí)行機構電動機的輸出電流，經過并聯(lián)電阻轉為電壓信號，經過濾波器輸出。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法， 通過瞬時能量軟測量方式來檢測電動執(zhí)行機構扭矩的輸出，采用帶有光電隔離器的類SPI 模式，保證了系統(tǒng)的抗干擾能力；采用高速DSP芯片作為信號處理的核心部分，保證系統(tǒng)的實時性和高速性；由于CSM60A采用模/數(shù)轉換模塊可以避免模擬芯片溫漂、電子脈沖計數(shù)所帶來的誤差，保證了系統(tǒng)控制的準確性；同時由于該方法對于能量的采集是通過瞬時功率的時間累加得到，而且瞬時功率是根據公式I3S=WI^coso (υ為電壓瞬時值；ι為電流瞬時值；COScD為功率因數(shù))得到，保證了扭矩信號的實時性和準確性。


圖1為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量系統(tǒng)結構圖2為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法中電壓通道采集電路原理圖3為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法中電壓通道原理計算圖； 圖4為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法中電流通道采集電路原理圖5為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法中能量采集流程圖； 圖6為本發(fā)明基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法中硬件控制電路連接圖。
具體實施例方式如圖1所示基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量系統(tǒng)結構圖，電流型電壓互感器和霍爾傳感器采集電動機的電壓和電流信號，通過精密電阻、濾波電容之后，輸入到 CS5460A電能芯片的電壓、電流通道，通過計算得到瞬時功率信號，經過時間的累加，得到 M位瞬時能量信號。經過光電隔離器輸入給dsPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片，根據數(shù)據庫內的公式，經過DSP數(shù)字信息處理芯片計算得出電動執(zhí)行機構的輸出扭矩。其中電動機的輸出扭矩和功率之間的關系為T=9550P/n，而CSM60A瞬時能量與功率的關系，可表示為 E=Pa*t (Ε表示t時間內的電度數(shù)；t表示測量時間；Pa為t時間內的平均有功功率)，瞬時功率的計算公式為I^s=U*I*C0ScI)，而有功功率1 是通過瞬時功率的累加平均得到。所以電動執(zhí)行機構扭矩和瞬時能量的關系可表示為T=9550E/(n*t)，它們之間存在特殊對應關系。圖2所示為本發(fā)明電壓通道采集電路原理圖，由于U、V、W三相電源的相位角度關系，經過變換轉換為電動機的單線電壓，經過變壓器Ul轉換為0-20mA的電流信號，經過精密電阻R23轉換為電壓信號，輸入給CSM60 A。R25主要有兩個作用一個是與C21構成低通濾波器，該濾波器可以去除所需頻率外很寬頻帶的噪聲，同時也是一個防混淆濾波器，防止A/D轉換器接收高于采樣頻率一半的輸入信號；第二個用途是對引腳提供限流保護。引腳VIN-也需要一個保護電阻，為保證對稱，R27應等于R25。C2、C3主用是用來輸入濾波保護，增加電路RFI抗干擾能力。圖3是本發(fā)明電壓通道電路原理計算圖，由于U、V、W三相電，它們之間幅值相等， 相位依次相差120°，根據由余弦定理得，c=a*C0SB+ b*C0SA(a、b、c分別代表Δ ABC的三邊；A、B、C 代表所對應的角)，UVl = IUl *C0S30° +|V|*C0S30° =|U|'/2，又因為 P 向量是 UV、 VW兩向量矢量和，可得 P| = |UV|*C0S30° +|Uff|*C0S30° =3|u|，根據圖2所示，C12兩端的電壓為UC12=|P|/(510*103)*R23,所以C12兩端的電壓為154mV。由于CS5460A電壓輸入通道的范圍為士250mv，交流電壓有效值Vl=250*0. 707=176mV>154mV，滿足電壓通道的輸入要求。圖4所示為本發(fā)明電流通道采集原理圖，通過霍爾傳感器(20A/20mA)采集電動執(zhí)行機構電動機的輸出電流，通過R20精密電阻轉換為電壓信號，輸入給CSM60A。其中R26、 R28作用如同電壓通道中R25、R27主要起濾波和保護用。圖5所示為本發(fā)明能量采集流程圖，首先初始化CSM60A各個寄存器，查看初始化是否成功，如果初始化成功，則繼續(xù)進行，如果初始化不成功，則繼續(xù)初始化；判斷CSM60A 是否有新數(shù)據請求產生，如果有數(shù)據請求，則進行下一步，如果沒有數(shù)據請求，則等待新數(shù)據的產生；如果有數(shù)據請求產生，則使SCLK引腳置0，并且預置SDO數(shù)據，然后使SCLK引腳置1，實現(xiàn)邊讀取SDO數(shù)據、同時邊寫入SDI數(shù)據；判斷32位的報文數(shù)據是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則把SPI緩沖區(qū)的數(shù)據復制到數(shù)據庫中，若果沒有發(fā)送完畢，則等待32位報文發(fā)送完畢；最后時鐘信號停止，緩沖區(qū)數(shù)據清零，繼續(xù)等待CS5460A是否有數(shù)據請求產生。圖6所示為本發(fā)明硬件控制電路連接圖，DSP的7、10、13、14、16、76分別接到 CS5460A的SDO數(shù)據輸出、DSI命令輸入、INT中斷信號、RESET復位信號、CS片選信號、SCLK 時鐘信號引腳。為了保證系統(tǒng)的實時檢測，保證主程序無延時，系統(tǒng)采用了 Timer4中斷來實現(xiàn)SPI時序信號，其SPI時序信號組織的基本原則為有數(shù)據請求，SPI信號有；無數(shù)據請求，SPI信號無。這樣保證了只有CSM60A有數(shù)據請求的時候，才產生時序信號，占用DSP的空間，提高了 DSP的利用率。由于系統(tǒng)采用了光電隔離器，在增加系統(tǒng)抗干擾能力的同時， 光電隔離器的延時作用，使系統(tǒng)的SPI信號產生了爬坡現(xiàn)象，因此通過整形電路輸出的方波信號的占空比將放生變化，這樣減小了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，為了克服爬坡現(xiàn)象的出現(xiàn)，必須增大上拉電阻的阻值，以減小爬坡時間，但是過大的上拉電阻，又導致光電隔離器的導通電流變小，對于上拉電阻的選擇通過實驗確定電阻選擇為3. I。
權利要求
1.一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，其特征在于，電流型電壓互感器和霍爾傳感器通過非接觸方式采集電動機的電壓和電流信號，接入到CSM60A電能芯片的電壓通道和電流通道，得到瞬時功率信號，經過時間累加，采集到M位瞬時能量信號后， 以類SPI模式，經過光電隔離器輸入給DSPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片，經過計算得出電動執(zhí)行機構的輸出扭矩，所述DSPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片，其7、13引腳分別通過 PS2501-2光電隔離器接到CSM60A的SDO數(shù)據輸出、INT中斷信號引腳，其10、14、16、76 引腳分別通過PS2501-4光電隔離器和MC14106BG整形電路之后接到CSM60A的DSI命令輸入、RESET復位信號、CS片選信號、SCLK時鐘信號引腳；所述的電壓互感器為TYPT31D微型精密電流型電壓互感器，其3引腳接到三相電源的U相，2引腳分別經過電阻接到三相電源的V、W相，1弓丨腳通過限流電阻接到CSM60A電能芯片的10引腳，4引腳通過限流電阻接到CS5460A的9弓丨腳；所述的霍爾傳感器為20A/20mA，通過電阻轉換為電壓信號，分別接到 CS5460A 的 15、16 引腳。
2.根據權利要求1所述基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，其特征在于， 所述CSM60A電能芯片與dsPIC30F6014A數(shù)字信號處理芯片之間的數(shù)據傳輸，采用類SPI 模式，即有數(shù)據請求，SPI信號有；無數(shù)據請求，SPI信號無。
3.根據權利要求1所述基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，其特征在于， 所述電壓通道采集電路，u、v、w三相電源的相位角度關系，經過變換轉換為電動機的單線電壓，經過變壓器轉換為0-20mA的電流信號，經過并聯(lián)與變壓器次級的精密電阻R后轉換為電壓信號，經過RC低通濾波器輸出。
4.根據權利要求1所述基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，其特征在于， 所述電流通道采集電路，霍爾傳感器采集電動執(zhí)行機構電動機的輸出電流，經過并聯(lián)電阻轉為電壓信號，經過濾波器輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于瞬時能量的電動執(zhí)行機構扭矩軟測量方法，以DSP數(shù)字信號處理芯片和CS5460A電能芯片為核心，通過瞬時能量軟測量方式來檢測電動執(zhí)行機構的輸出扭矩；通過電流型電壓互感器和霍爾傳感器非接觸式測量電動機的電壓和電流信號；經電壓轉換電路和濾波電路輸入給CS5460A的電壓通道和電流通道，計算得到24位能量信號；采用了帶有光電隔離器的類SPI模式采集瞬時能量，保證了電動機輸出扭矩檢測的控制精度，實時性和抗干擾能力等。
文檔編號G01L3/00GK102435364SQ20111027701
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權日2011年9月19日
發(fā)明者于垂順, 張保東, 林獻坤 申請人:上海理工大學