劉　剛，陳樹新

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京　100083)

0　引言

動(dòng)力系統(tǒng)是電傳動(dòng)礦車的心臟，是直接關(guān)系到車輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)一直被人們所重視。近年來(lái)，動(dòng)力系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已由原始的機(jī)械式檢測(cè)逐步走向電子式、計(jì)算機(jī)綜合檢測(cè)，所測(cè)參數(shù)的范圍也有了很大發(fā)展，部分參數(shù)已逐步轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測(cè)[1-3]。

對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)一些非電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以及電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的水溫和流量信號(hào)。電動(dòng)機(jī)的外特性曲線是電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)，曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小直接反映了動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)荷[4]。另外，從電動(dòng)機(jī)的冷卻水溫度、壓力以及流量等參數(shù)也可以反映動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)荷和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)掌握車輛的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電傳動(dòng)礦車動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和早期故障診斷具有重要作用。

文章以ARM32位單片機(jī)為核心，研制了具有CAN通信接口的電傳動(dòng)礦車非電量數(shù)據(jù)采集器，能獨(dú)立完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，并且可以將處理好的數(shù)據(jù)傳送給任何具備CAN接口的設(shè)備。

1　非電量在線測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

圖1為電傳動(dòng)礦車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂驁D。圖中的非電量數(shù)據(jù)采集器主要是對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、電機(jī)水冷系統(tǒng)中的溫度變送器、壓力傳感器和流量傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行采集和計(jì)算，測(cè)得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、壓力和流量后通過CAN總線發(fā)送到動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)得到在線監(jiān)測(cè)。

圖1　電傳動(dòng)礦車動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂驁D

圖2　電傳動(dòng)礦車中非電量在線測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖2為電傳動(dòng)礦車非電量在線測(cè)量系統(tǒng)框圖。圖中的ARM32位數(shù)據(jù)采集器具有3路轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集、4路A/D信號(hào)采集、1路開關(guān)量信號(hào)采集和1路CAN通訊，可用于采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度以及流量等信號(hào)。系統(tǒng)需要采集的非電量主要包括：直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、直流無(wú)刷電機(jī)水冷系統(tǒng)中的進(jìn)水口溫度和出水口溫度、進(jìn)水口壓力和出水口壓力以及冷卻水流量。

具體運(yùn)用中可以根據(jù)工程中被測(cè)信號(hào)的數(shù)量，取用任意塊數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器可隨意安裝在方便測(cè)量傳感器信號(hào)的地方，所有數(shù)據(jù)采集器通過CAN總線連接起來(lái)，在設(shè)備連線兩端配上終端電阻，將測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或任何具備CAN通信的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)非電量數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸，在線測(cè)量。集成化的采集模塊相比于NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工程應(yīng)用更方便，更易攜帶。

2　信號(hào)測(cè)量原理

試驗(yàn)系統(tǒng)采用磁電式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，其基本原理是通過磁電變換，將被測(cè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成具有相位差的2路正弦信號(hào)，工作原理如圖3所示[5-8]。這2路正弦信號(hào)的頻率是相同的且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。2組交流電信號(hào)之間的相位差與其安裝的相對(duì)位置及彈性軸所傳遞扭矩的大小及方向有關(guān)。在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比。

圖3　NJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理圖

傳感器一共輸出3路正弦信號(hào)，分別是上文提到的同頻異相信號(hào)I、信號(hào)Ⅱ和套筒轉(zhuǎn)速信號(hào)。

圖4　信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ的輸出波形

如圖4所示，信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ是一組同頻異相的信號(hào)，它們初始的相位差相差180°。他們的相位差變化的絕對(duì)值與轉(zhuǎn)矩大小成正比，定義相位差減小時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，相位差增大時(shí)轉(zhuǎn)矩為正。

信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ的相位差與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如下：

Δθ=θ-π=32MLZ/(πD4G)

(1)

式中：M為轉(zhuǎn)矩；G為彈性軸的剪切彈性模數(shù)；D為彈性軸直徑；L為彈性軸的工作長(zhǎng)度；Z為信號(hào)齒輪齒數(shù)。

當(dāng)v=vr時(shí)，彈體殘余長(zhǎng)度的計(jì)算方法也與式(29)--式(30)基本相同，只需將其中的L0替換成Lres,h,v0替換為vh即可。

由此可見，通過測(cè)量傳感器兩輸出信號(hào)的相位差，即可求出轉(zhuǎn)矩M。

設(shè)信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ的頻率為f1=n1·Z/60，套筒轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率為f2=n2·Z/60。n1、n2為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，Z為圖3中傳感器齒輪的齒數(shù)。由于傳感器參數(shù)顯示Z=60，所以f1=n1，f2=n2。

電機(jī)轉(zhuǎn)速n由式(2)計(jì)算：

n=n1-n2=f1-f2

(2)

因此只需要用單片機(jī)測(cè)得信號(hào)Ⅰ、信號(hào)Ⅱ和套筒轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率，即可測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速。

制作的ARM 32位非電量采集器將上述3路正弦信號(hào)經(jīng)過如圖5的調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為圖6的方波信號(hào)送入單片機(jī)中，利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行捕獲，計(jì)算出波形的周期從而得到3個(gè)信號(hào)的頻率，根據(jù)式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)速。再測(cè)出信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ的相位差Δθ，根據(jù)式(1)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。

圖5　轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化方波電路圖

圖6　經(jīng)過調(diào)理電路后信號(hào)I和信號(hào)Ⅱ的波形

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

非電量在線測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

流量信號(hào)大多為脈沖信號(hào)，計(jì)算流量信號(hào)頻率采用TIM2定時(shí)器，測(cè)量信號(hào)I和信號(hào)Ⅱ的相位差需要TIM1和TIM3定時(shí)器同時(shí)工作，計(jì)算程序在TIM3中斷程序中完成，將TIM3捕獲到的上升沿(或下降沿)的時(shí)間減去TIM1捕獲到的上升沿(或下降沿)時(shí)間，得到兩信號(hào)的相位差，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。

壓力和溫度信號(hào)為電壓信號(hào)，主要通過單片機(jī)ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算電壓值。文中設(shè)置STM32芯片的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，通過讀取ADC結(jié)果寄存器的值來(lái)確定輸入電壓。

圖7　非電量在線測(cè)量系統(tǒng)軟件流程

只要滿足設(shè)定的通信協(xié)議，任何具有CAN接口的設(shè)備都可以從采集模塊獲取測(cè)量的數(shù)據(jù)，使采集模塊可以兼容任何一個(gè)使用CAN總線通信的顯示終端。

4　試驗(yàn)與結(jié)果分析

非電量采集器對(duì)采集的信號(hào)頻率、相位差、A/D轉(zhuǎn)換的電壓值做滑動(dòng)平均，對(duì)最近的10個(gè)數(shù)據(jù)求平均值后存放在一個(gè)變量中，作為當(dāng)前數(shù)據(jù)值放入CAN郵箱中等待發(fā)送。

該試驗(yàn)采用了扭矩傳感器配套的卡式扭矩測(cè)量裝置CB3000，它在計(jì)算機(jī)(486以上)的ISA擴(kuò)展槽中插入扭矩卡，并配以相應(yīng)的專用軟件構(gòu)成的微機(jī)虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

表1為系統(tǒng)在電機(jī)400轉(zhuǎn)左右測(cè)得的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)同CB3000扭矩測(cè)試卡測(cè)得的結(jié)果比較，表中N1、T1分別為CB3000系統(tǒng)測(cè)得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，N2、T2分別為該系統(tǒng)測(cè)得的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，δ1、δ2為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差。

表1　CB3000系統(tǒng)與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出測(cè)試系統(tǒng)精度集中分布在0%～0.4%之間，可以達(dá)到精度要求。根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，信號(hào)Ⅰ和信號(hào)Ⅱ的相位差變化可以看出，NJ型傳感器每改變10 N·M的力矩，兩信號(hào)相位差變化弧度值約為0.05 rad，這為后續(xù)轉(zhuǎn)矩標(biāo)定提供了有力依據(jù)。

5　結(jié)論

提出的電傳動(dòng)礦車非電量在線測(cè)量方法很好地解決了電傳動(dòng)礦車在運(yùn)行中電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水壓力以及流量的精確在線測(cè)量，給出了各個(gè)非電量的測(cè)量原理與方法，并根據(jù)方法設(shè)計(jì)了一款基于ARM32位單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器，使測(cè)量數(shù)據(jù)可以同步傳輸。采集器可以兼容任何一個(gè)使用CAN總線通信的設(shè)備終端，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線測(cè)量。

將該方法的測(cè)量結(jié)果同市面上的主流產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)量相對(duì)誤差控制在0.4%以內(nèi)，完全滿足測(cè)量精度要求。具有相當(dāng)高的精確度和實(shí)時(shí)性。

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