磁電式扭矩測量儀的設(shè)計(jì)與誤差分析.pdf

1、船艇主動(dòng)力裝置的轉(zhuǎn)速、扭矩測量對于把握其工作狀態(tài)，進(jìn)行優(yōu)化控制具有重要意義，當(dāng)前轉(zhuǎn)速的測量技術(shù)已十分成熟，但現(xiàn)有的扭矩測量裝置在可靠性、精度或價(jià)格方面存在的問題以及船艇惡劣的工作環(huán)境，使得扭矩的實(shí)時(shí)測量遠(yuǎn)未達(dá)到令人滿意的程度。本文研究是艦艇非接觸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀研制項(xiàng)目的一部分。通過對各種扭矩儀的特性比較，認(rèn)為磁電相差式扭矩儀屬于非接觸式測量，不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易帶來不可靠因素的信號引出裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，無需外加電源而有較強(qiáng)的輸出信號，對

2、工作環(huán)境要求不高，不易受到干擾，能在較寬的環(huán)境溫度范圍下正常工作，且精度高，轉(zhuǎn)速范圍大，較為符合船艇的實(shí)際工作環(huán)境，因而選擇了磁電相差式扭矩儀作為研究方向。本文根據(jù)磁電相差式扭矩儀的原理和特點(diǎn)，分析其誤差產(chǎn)生的主要原因，提出減小誤差的措施，完成測量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)。 在本文中開展了以下工作： 1．分析了磁電相差式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀誤差產(chǎn)生原因并提出了減小誤差的途徑磁電相差式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的主要系統(tǒng)誤差是靜標(biāo)定誤差和轉(zhuǎn)速特

3、性誤差，靜標(biāo)定誤差由軸材料扭轉(zhuǎn)剛度的非線性引起，一般船艇輸出軸的材料線性程度較好，而且可以通過靜態(tài)標(biāo)定補(bǔ)償。轉(zhuǎn)速特性誤差來源于兩個(gè)方面，一是轉(zhuǎn)速改變時(shí)，兩路信號波形變化不一致，同一觸發(fā)點(diǎn)在兩路信號上對應(yīng)的相位不同；二是磁場變化產(chǎn)生的渦流使感應(yīng)電勢發(fā)生相移，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，兩個(gè)傳感器及其外電路特性不一致時(shí)產(chǎn)生的相移不同。 減小轉(zhuǎn)速特性誤差的主要途徑有：對稱波形的過零點(diǎn)不易隨轉(zhuǎn)速改變，因而在選擇過零點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)；由于軸的振動(dòng)，引起波形的

4、不對稱，采用分段平均使波形各段軸對稱；在扭矩的計(jì)算上，將扭軸空載時(shí)的轉(zhuǎn)速分為若干段，事先測出空載時(shí)在各個(gè)分段點(diǎn)轉(zhuǎn)速上兩個(gè)齒輪的初始偏差角，存儲在計(jì)算機(jī)中，有負(fù)載時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的偏差角和相應(yīng)轉(zhuǎn)速的空載偏差角計(jì)算扭轉(zhuǎn)角，補(bǔ)償轉(zhuǎn)速特性誤差。 2．對波形進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了影響信號大小的因素。 根據(jù)齒的幾何形狀，得出了漸開線齒輪和矩形齒輪的理論波形。漸開線齒輪的感應(yīng)電勢大小與模數(shù)和齒數(shù)成正比，矩形齒輪的理論波形為脈沖信號。在傳感

5、器和齒輪結(jié)構(gòu)確定后，影響信號大小的主要因素是齒頂間隙和轉(zhuǎn)速，信號的大小與齒頂間隙的平方成反比，減小齒頂間隙有利于增大信號電壓，提高信噪比。 根據(jù)轉(zhuǎn)速特性的分析，發(fā)現(xiàn)硬件參數(shù)的不一致是導(dǎo)致轉(zhuǎn)速特性誤差的根本原因，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，盡量簡化硬件部分，將主要工作放在軟件中進(jìn)行，減少不一致的系統(tǒng)測量的影響。 根據(jù)實(shí)際船艇的安裝條件，設(shè)計(jì)了剖分結(jié)構(gòu)和能適應(yīng)多種軸徑的齒輪。作者應(yīng)用誤差分析理論詳細(xì)推導(dǎo)了齒輪分度誤差和齒數(shù)對瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測

6、量精度的影響，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的細(xì)致程度與精度存在矛盾，要使兩者都提高，只有提高齒輪的加工精度。A/D轉(zhuǎn)換板的轉(zhuǎn)換頻率決定了扭矩的分辨率，根據(jù)實(shí)船的單位軸長扭轉(zhuǎn)角得出，為保證較高的扭矩分辨率，轉(zhuǎn)換頻率不應(yīng)低于1MHz。 軟件主要包括模擬信號的采集轉(zhuǎn)換、去除直流分量、相差角識別、計(jì)算轉(zhuǎn)速和扭矩。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)信號中存在雜波干擾，需對信號進(jìn)行濾波處理，由于扭矩是測量的兩路信號的相位差，因而濾波器不應(yīng)產(chǎn)生相位失真，根據(jù)濾波器的理論，需要采用FIR濾

7、波器，但從實(shí)際的濾波效果來看，F(xiàn)IR濾波器在較高階數(shù)時(shí)才可取得好的濾波效果，增大了計(jì)算工作量，對測量的實(shí)時(shí)性不利。對獲得的信號進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，信號的功率集中在基頻上，其它頻率成分的能量很小，因而使用IIR濾波器產(chǎn)生的相位失真也會很小，實(shí)際選擇的是二階巴特沃斯濾波器，濾后的波形光滑，可以滿足相位識別對波形的要求。每個(gè)點(diǎn)需要五步乘法和四步加法，計(jì)算工作量約減少一半。由于干擾的頻率比信號頻率高得多，因而在不同轉(zhuǎn)速下可采用相同的濾波器。通過分

8、析濾波前后的自相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的位置發(fā)現(xiàn)，濾波造成的相位失真可以忽略。 3．試驗(yàn) 以目前的實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備為基礎(chǔ)，在一臺6-135ZC柴油機(jī)上建立了試驗(yàn)臺架。由于臺架以水力測功器提供外負(fù)載，轉(zhuǎn)矩較難恒定。但系統(tǒng)可準(zhǔn)確地進(jìn)行無負(fù)載試驗(yàn)，因此可利用此特點(diǎn)對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特性誤差進(jìn)行量化分析處理，具體實(shí)施方法將初始相差角調(diào)整為0.5<'0>～1<'0>，即船艇的最大扭轉(zhuǎn)角范圍，測量空載時(shí)轉(zhuǎn)軸在各轉(zhuǎn)速下的初始偏差角并進(jìn)行精度分析。系統(tǒng)加

9、上負(fù)荷后，通過測量是否有『F比與負(fù)荷的扭轉(zhuǎn)角出現(xiàn)來評定系統(tǒng)的可行性。 主要結(jié)論： 1．通過綜合比較，磁電相差式轉(zhuǎn)矩儀較適合于船艇環(huán)境下對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩的測量，尤其是推進(jìn)軸系，由于兩個(gè)信號激發(fā)齒輪可長距離安裝，因此可獲得較大的相差角，得到較高的測量精度。 2．從對磁電相差式轉(zhuǎn)矩儀的轉(zhuǎn)速特性誤差分析可知，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只要在兩個(gè)磁電傳感器的選取、齒輪的加工、以及在信號采集處理等環(huán)節(jié)充分注意影響信號相頻特性的因素，采取措施得當(dāng)