一种振动转矩传感器标定方法研究

赵 浩, 冯 浩

(1. 嘉兴学院, 浙江 嘉兴 314001; 2. 杭州电子科技大学, 浙江 杭州 310018)

1 引 言

转矩变化是机械设备运行状况的重要信息,是检验各类动力机械功率输出是否达到设计标准的必要手段[1,2]。准确、及时、可靠地测量出机械设备的静态和动态转矩,对实现设备的自动控制以及改进和提高设备的机械性能都有着重要的作用[3],因此,很多专家学者对转矩测量进行了深入的研究,研制了多种结构的转矩测量装置[4～9]。

转矩分为恒定的静态转矩和变化的振动转矩。常用的转矩传感器多用于测量静态负载转矩,或者测量转轴旋转一周的平均负载转矩。常用的标定方法是对传感器轴加载高精度砝码进行直接标定[10],或采用磁粉制动器和另外标定好的转矩传感器进行间接标定[11]。但上述方法无法实现振动转矩传感器的标定,主要原因是无法产生已知的振动转矩激励。

本文提出了一种标定振动转矩传感器的方法,详细阐述了振动转矩激励源的工作原理,根据磁路相关定律推导了激励源的电磁转矩表达式[12]。构建了振动转矩传感器标定系统,对实际振动转矩传感器进行了灵敏度系数标定实验,验证了标定方法的可行性。

2 振动转矩激励源

2.1 工作原理

振动转矩激励源的机械结构主要分为定子、转子和换向器3大部分,如图1所示。定子主要包括励磁绕组和定子铁心;转子主要包括电枢绕组和转子铁心;换向器主要包括换向片和电刷。其中励磁绕组经过换向器后与电枢绕组串接,电刷置放在几何中性线位置,工作时绕组中通入交变电流。

图1 振动转矩激励源机械结构图

假设某瞬间励磁绕组和电枢绕组中的电流如图2所示,根据右手定则,励磁绕组产生如图2所示的脉振磁场。为了分析问题的方便,电枢绕组看作是集中绕组,则电枢绕组会受到磁场力的作用,方向通过左手定则判断,为逆时针方向,则转子逆时针转动。由于励磁绕组和电枢绕组中的电流为交变量,则电流方向会同时发生改变,根据左手定则,电枢绕组受力方向不变,因此电动机转子会持续受到相同方向的转矩作用,以转速n连续转动。

图2 振动转矩激励源工作原理示意图

2.2 电磁转矩

激励源的励磁绕组通入交变电流为:

if(t)=Imsinωt

(1)

式中:ω为交流电角频率;Im为电流峰值。假设励磁绕组的有效匝数为N1,则气隙产生的磁动势为:

Ff(t)=N1Imsinωt

(2)

根据磁路的欧姆定律,同时考虑铁耗和换向元件对电流的影响,假设磁路对称,则气隙中的磁通为:

(3)

激励源转子的电磁转矩为电枢绕组电流与励磁绕组磁场相互作用后产生,与直流电动机电磁转矩产生过程基本一致,激励源转子的电磁转矩为:

Te(t) =CmΦf(t)·if(t)=

CmΦmIm· sinωt· sin (ωt-α)=

(4)

图3 电磁转矩仿真波形图

激励源运行时电磁转矩包括恒定分量和振动分量,两者的幅值相同,且振动分量的变化频率为通电频率的2倍。

3 标定系统

振动转矩传感器标定系统的组成如图4所示,包括振动转矩传感器、振动转矩激励源和可调负载。其中可调负载采用磁粉制动器,通过调节控制电流实现负载转矩的幅值调节。

图4 标定系统的组成

标定系统工作时,振动转矩传感器、激励源和负载采用刚性联轴器同心连接。根据转矩平衡方程可知,标定系统稳态运行时,负载与电磁转矩恒定分量的幅值大小相等;根据式(4)可知,电磁转矩恒定分量与振动分量的幅值相等,则此时的负载值与振动转矩的幅值相等,通过记录振动转矩传感器的输出电压即可实现其标定。

4 标定实验与分析

按照图4所示的框图将标定系统组装完成,其中振动转矩激励源的额定转速为4 000 r/min,额定电压为220 V,额定频率为50 Hz,额定电流为0.8 A;实验平台采用浙江大学求是科技的NMCL-Ⅱ型电机及传动试验台,激励源转轴一端通过刚性联轴器与振动转矩传感器同轴连接,另一端通过刚性联轴器与磁粉制动器相连;此外还包括传感器用电源和具有滤波功能的数字存储示波器。

接通电源后调节激励源的电压至220 V,然后调节磁粉制动器改变负载大小,使得激励源的工作电流为0.8 A,此时标定系统的转速为3 924 r/min,负载转矩为0.15 N·m。根据式(4)可知,电磁转矩振动分量的频率为通电频率的2倍,即为100 Hz,因此,开启示波器的滤波功能,设置截止频率为100 Hz,则示波器采集的振动转矩传感器的输出电压如图5所示。

图5 振动转矩传感器的输出电压

由图5可知,振动转矩传感器的输出电压幅值为1.68 V,频率为100 Hz,由此验证了振动转矩激励源工作原理的正确性。

4.1 空载阻转矩的补偿

激励源工作时,由于转子运行时存在阻力矩,导致激励源运行时存在空载阻转矩,根据振动转矩传感器的标定原理可知,需要对该空载阻转矩进行相应的补偿措施。将可调负载,即磁粉制动器断电,激励源空载运行,此时振动转矩传感器输出电压波形如图6所示。

图6 激励源空载时振动转矩传感器输出电压

由图6可知,激励源空载运行时,空载阻转矩对应的传感器输出电压幅值为0.96 V,因此,在后续的标定实验过程中,与负载值对应的传感器输出电压,需要减去空载时的该电压幅值。

4.2 标定实验结果

4.2.1 实验1

改变磁粉制动器的控制电流,调节负载转矩为0.1 N·m,根据式(4)可知此时振动转矩激励源产生的振动转矩数学表达式为:

Tvib=0.1·cos(200πt)

(5)

振动转矩传感器的输出电压波形(补偿后)如图7所示。假设初始相位为零,从振动转矩最大值开始,在一个周期对应的时间段内取若干测量点,将时间点代入式(5),得到对应的振动转矩值,如表1所示。由此可知,振动转矩传感器的灵敏度系数约为4.42 V/(N·m)。

图7 0.1 N·m对应的振动转矩传感器输出电压

4.2.2 实验2

改变磁粉制动器的控制电流,调节负载转矩在0.05～0.15 N·m变化,记录各个负载值对应的振动转矩传感器输出电压的幅值,如表2所示。

由表2可知,振动转矩传感器的灵敏度系数约为4.58 V/(N·m)。

表1 标定实验1数据

表2 标定实验2数据

标定实验结果表明:实验1和实验2得到的振动转矩传感器灵敏度系数基本相同,由此验证了标定系统工作原理的正确性和该标定方法的可行性。

4 结 论

设计的振动转矩激励源能够产生频率为100 Hz且幅值可调的振动转矩;对实际的振动转矩传感器进行标定实验,验证了标定方法的可行性,结果表明振动转矩传感器的灵敏度系数为4.58 V/(N·m);后续研究的重点是通过使用变频电源,使振动转矩激励源产生不同频率的振动,以实现传感器频率响应范围的测定。

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