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使用角度传感器测量转矩的新方法

来源:控制工程网2018.08.31阅读 21386

  在一个连续转动的轴上测量转矩比较困难,有几种方式可以做到。最常用的方式是从转动轴所需要的能量来推导出转矩。通常来说控制工程网版权所有,这意味着要测量驱动轴转动的电机的电流。虽然这很简单但是不精确,因为电流的消耗与其他因素有关,比如速度、供电电压、轴承状况以及温度。
  更加精确的方式是使用应变计测量轴上面的扭转变形,或者使用表面声波(SAW)设备。尽管这种方法精确,不过它要么需要一个滑动环,要么需要用来将轴上的应变计与外部世界进行信号传输的无线手段。
  应变计常常会有大的温度系数,而且有个不好的习惯,在恶劣状况下容易松动。在实验室内用应变计或SAW设备测量转矩一般都没问题,但是对于很多工业应用来说并不适用。
  引擎的转矩是通过扭转进行测量的,因此轴上的转矩是通过测量安装在轴上的并与轴保持在一条直线上的两台“多速”旋转变压器之间的相位移而得出的。随着轴的转动,每个旋转变压器产生两个信号CONTROL ENGINEERING China版权所有,一个信号按照正弦曲线变化,另一个按照余弦曲线变化。
  如果所加载的转矩是零,来自于两台旋转变压器的信号显示相位移为零。随着加载转矩,看起来其中一个输出信号的相位相对于另一个发生了位移。相位移和所加载的转矩是直接成比例的。如果使用一个多速旋转变压器配上很大的周期数,则只需要一个很小的扭转就能产生明显的相位移。
  这使得这项技术很灵敏,适合用于测量扭转在小于1度甚至是小于0.1度的情况。可以使用专门的柔性轴或同心布置两个旋转变压器(一台位于另一台的内部),并且将轴的内部和外部通过一个强度大的扭力弹簧连接在一起。

  随着传感器技术的发展,越来越多的旋转变压器将被更加现代的感应式编码器解决方案所替代。感应式编码器使用与旋转变压器相同的感应原理进行操作,不过它们使用印刷电路板而不是绕线式的变压器结构。这对于帮助最大限度地减少感应式编码器的体积、重量和成本,同时最大化其测量性能是非常重要的。此外,感应式编码器还提供了简单易用的电气接口——直流电源输入和串行数据输出。
  因为在设计上感应式编码器与旋转变压器采用了相同的基础物理特性,所以它们具有相同的操作优势。它们是平的,中间有个大洞,如同旋转变压器一样控制工程网版权所有,无需使用滑动环。使用感应式编码器可以测量转矩和绝对角度。
  因为感应式编码器的所有电子元件都已经在其定子内,不需要单独指定和提供电子元件。感应式编码器还可以提供每转最高400万次计数www.cechina.cn,因此一个很小角度的扭转都足够带来很高解析度的转矩测量。与应变计布置所获得的热系数相比,感应式编码器的热系数更小。任何由于轴的高角速度带来的动态失真效果在使用相同的时钟信号来触发两个编码器读数的时候都可以消除掉。
  使用感应式编码器进行测量,在加载过度或冲击转矩的时候,都不会有设备损坏的危险。这项技术也提供两种测量——角度和转矩www.cechina.cn,其费用低于使用应变计测量转矩的费用。使用角度传感器测量转矩可能是一项老的技术,不过有了现代的感应式编码器的加入,使得使用感应物理学进行角度测量焕发了青春,而这种方法对于转矩和角度的感应也是很有效的。(作者:Darran Kreit)
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