２０１２正 仪表技术与 传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ２０１２ ＮＯ．７ 第７期 ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ 扭矩传感器在步进电机控制系统中的应用 刘汝斌，程武山 （上海工程技术大学，上海２０１６２０） 摘要：文中介绍了扭矩传感器的结构及其工作原理，详述了扭矩传感器在塑壳式低压断路器智能测控系统中的应用， 提出由扭矩传感器、一体化螺丝刀（同心双柔轴机构）、ＰＬＣ组成的控制系统，实现对一体化螺丝刀的闭环控制，提高了一 体化螺丝刀锁紧螺母的控制精度，降低了控制系统的成本，在现场取得了良好的控制效果。 关键词：扭矩传感器；扭矩检测；ＰＬＣ；步进电机；闭环控制 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１２）０７—０００３—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ Ｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｒｕ－ｂｉｎ，ＣＨＥＮＧ Ｗｕ・ｓｈａｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉ＇ｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｏｌｄｅｄ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｒｅａｋｅｒ．Ａ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅｒ（ａ ｃｏｎｃｅｎｔｉｒｃ ｌｆｅｘｉｂｌｅ ｂｉ—ａｘｉｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ），ａｎｄ ＰＬＣ．Ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏｗａｒｄ ｉｎ— ｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅｒ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ，ＳＯ ａｓ ｗｅｌｌ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ，ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｔｏｒｑｕｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＰＬＣ；ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ；ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ０引盲 转角，从而间接测得扭矩。 随着现代测控技术的发展，扭矩测量技术已经充分引起国 磁电式扭矩传感器又称感应式扭矩传感器，是基于磁感应 原理的测量方法，测量时在被测弹性轴上间隔一定距离处各装 一内外研究机构的重视，成为测试技术的新分支。扭矩是旋转动 力机械的重要工作参数，扭矩测量是传动线路中的重要内容之 一个齿轮（相差盘），靠近齿轮沿径向放置一个感应式脉冲发生 ，也是机械量中的重要组成部分…。精确的扭矩测量，在能 器。当齿形转轮旋转时，将会在两个脉冲发生器中分别产生正 够为旋转机械的设计提供科学数据的同时，也可以作为检验动 力机械的功率输出是否达到设计值的标准。从而，对动力机械 弦信号，而外加扭矩与两个正弦信号的相位差成正比。因此， 通过检测相位差，经过信号处理电路，即可测量出弹性轴所传 的运行状况进行监视和故障报警。通过扭矩分析，可以获得整 个传动系统的性能参数，扭矩测量比其他的力学量测量都要复 杂，是一个比较薄弱的环节 ｊ。 扭矩传感器的主要应用之一是在上紧螺栓时检测扳手的 扭矩，以避免螺栓扭矩过大损伤零件或扭矩过小造成机械运行 时螺栓螺母脱落的事故。老式低压电器中的双金属片硬度较 递的扭矩大小。磁电式扭矩传感器结构及工作原理如图１所 示［ 。 高、热变形较小，所用低压电器测试台多采用开环控制系统，使 调节机构运动至指定位置，对螺栓进行调整后由人工紧固螺 母。由此产生的主要问题是螺母锁紧随机性较大，质量难以控 制，生产率难以提高。因此，应用智能测试技术对紧固螺母的 扭矩实时测量并调整具有重要的现实意义 。 １磁电式扭矩传感器的结构及工作原理 １．１结构与工作原理 图１磁电式扭矩传感器结构 １．２扭矩的测量 相位差的测量一般由信号产生器和测量电路２个部分组 成，在弹性轴上有两个相同的齿形转轮，信号拾取由线圈和磁 芯构成，齿顶与磁芯间留有微小间隙 ］。当弹性轴转动时，两 扭矩传感器是利用具有机械弹性的被测扭轴在扭矩作用 下产生的弹性变形来测量扭矩。转轴在受转矩后，两截面的相 对转角和扭矩成正比。扭矩传感器利用感应式传感技术测量 基金项目：上海市重点攻关资助项目（０７１１０５１２１）；上海市“０８５”工程资 助（ＪＺ０９０６） 收稿日期：２０１１—０８—２７收修改稿日期：２０１２—０４—１５ 个线圈中分别感应出两个交变电动势Ｕ。和 ＋ 。其中， 为初相角，它仅与两齿轮相交位置及磁芯相对位置有关。当弹 性轴受到扭矩作用时，两信号在相位上相对的改变了△ ，它与 弹性轴扭转角 的关系为 △ ＝№ 式中：Ⅳ为齿形转轮转动一周时产生信号的个数；△西取值一般 ４ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊｕ１．２０１２ 在竹和２订之间。 ｓ７—２００系列２２４ＣＰＵ ＣＮＸＰ的高速脉冲输出通道为Ｑｏ．０， 最高输出频率高达１００ ｋＨｚ，可以满足为内、外套筒步进电机驱 动器提供高速脉冲的要求，其高速计数器对磁电式扭矩传感器 反馈的脉冲信号能够迅速做出响应 。通过内部程序设定外 在弹性范围内 。ｃ Ｔ，因此借助二次仪表测量△ ，就可以 求出扭矩 的值了。 磁电式扭矩传感器脉冲信号测试输出示意图如图２所示。 扭轴转角 １ ｒ 套筒轴步进电机脉冲值，ＰＬＣ把脉冲输出给电机驱动器，以驱 动步进电机运动，磁电式扭矩传感器根据检测步进电机轴的扭 ３６０ ｚ 西 ．－－ 相位差测量电路 Ａ 矩，产生脉冲信号，传到ＰＬＣ高速计数通道，从高速计数器读取 的值与程序设定的脉冲值进行比较求得偏差，根据这个偏差实 现了对步进电机锁紧螺母的闭环控制。 ３系统软件设计 ＼ ． Ｂ ／ 、 ｌ －－－ 一 系统编程工作环境是在ＳＴＥＰ７一ＭｉｃｒｏＷＩＮ下，系统软件 流程如图４所示。首先对高速脉冲计数器及内、外套筒步进电 Ｂ 信号 相位角 机参数初始化，在ＳＴＥＰ＇／一ＭｉｃｒｏＷＩＮ中集成了高速脉冲处理程 序块，可有效地对高速计数器的工作模式、初始计数值和步进 电机的脉冲数、脉冲周期进行初始化 。磁电式扭矩传感器的 分辨率为１０ ｔＪ，ｍ，即每读取ｌ０个脉冲对应于步进电机产生０．１ ｍｍ的位移。根据磁电式扭矩传感器的分辨率以及步进电机的 周 朝 （ｂ） 图２磁电式扭矩传感器脉冲信号测试输出示意图 这种采用非接触测量的扭矩传感器，测量精度高、转速范 围大、性能可靠、结构简单，可以适应各种工作环境，同时可测 起动和制动扭矩 』。 步距角来初始化高速计数器的计数初始值以及步进电机的脉 冲周期。 磁电式扭矩传感器相位差的测量没有导电环，由于是非接 对内、外套筒步进电机参数初始化后，进行数控工作台定 位。内、外套筒步进电机根据设定的参数工作，磁电式扭矩传 感器实时把检测出的信号传递到高速计数器，通过在程序中进 行计算比较，确定步进电机的工作状态，使外套筒步进电机完 全处于闭环控制状态下。最后达到对塑壳式断路器双金属片 上螺母的精确锁紧。 触测量所以工作稳定可靠，适用范围广，其测量范围是１～ １０ ０００ Ｎ・ｍ；测量误差是±１％；最高转速是２０ ０００ ｒ／ｍｉｎ． 针对步进电机控制中丢步或失控的情况，采用磁电扭矩传 感器作为扭矩检测装置，通过检测步进电机的角位移，并将其 信号转换为脉冲信号反馈给ＰＬＣ实现闭环控制，使步进电机的 控制性能达到和交流伺服电机一样的控制效果，同时降低了控 制系统的成本。 ２扭矩传感器在塑壳式断路器测试系统中的应用 在塑壳式断路器智能测试系统的应用中，带有螺丝刀头的 一体化螺丝刀能够精确地对塑壳式断路器双金属片上的外六 角型螺钉和螺母同时调整 Ｊ。当通电至断路器恰好动作时，内 套筒电机停转，外套筒螺刀锁紧螺母。为了避免外套筒在锁紧 螺母时扭矩过大损伤零件，或扭矩过小而造成螺栓螺母脱落等 事故，提出在控制系统中采用扭矩传感器。数控工作台上的磁 电式扭矩传感器对电机轴输出扭矩进行实时检测，当一体化螺 丝刀对螺母锁紧到一定程度时，扭矩瞬时增大。磁电式扭矩传 感器检测到该阶跃信号，通过信号调理电路传送至ＰＬＣ，ＰＬＣ 可以立即响应该信号并发出控制信号控制步进电机，使电机停 转。采用磁电式扭矩传感器的塑壳式断路器测试系统方框图 如图３所示。磁电式传感器选择了高精度的ＺＲＮ５０３型，其灵 敏度为（１±０．２）ｍｖ／Ｖ．ＰＬＣ采用的是ｓ７—２００系列 ＣＰＵ２２４ＸＰＣＮ 数据工作台下降 图４软件流程框图 部分ＰＬＣ初始化编程程序如下： 图３控制系统方框图 外套筒步进电机初始化： ＬＤ ＳＭ０．０ 第７期 Ｍ０ＶＢ １６船５．ＳＭＢ６７ ＭＯＶＷ ８０．ＳＭＷ６８ 刘汝斌等：扭矩传感器在步进电机控制系统中的应用 ４结束语 ５ 在螺母锁紧控制系统中引入磁电式扭矩传感器作为反馈 ＭＯＶＷ ０．ＳＭ ■Ｏ ＭＯＶＤ ５Ｏ００．ＳＭＤ７２ ＰＬＳ Ｏ 单元，解决了传统的人工锁紧螺母的开环控制的随机性。同 时，避免了步进电机开环控制因螺栓扭矩过大损伤零件，或过 小所造成的机械运行时螺丝螺母脱落的问题，改善了产品的制 外套筒高速计数器初始化： ＬＤ ＳＭ０．１ ＨＤＥＦ １．８ 造工艺，提高了螺母锁紧的控制精度和生产效率。该方案已经 成功应用于所研制的塑壳式断路器智能测试系统中并在现场 取得了良好的控制效果。 参考文献： ［１］喻洪麟，何安国，龙振宇，等．一种新的扭矩测量原理．光子学报， １９９７，２６（９）：８３２—８３５． Ｍ０ＶＢ １６＃Ｆ８．ＳＭＢ４７ ＭＯＶＤ Ｏ．ＳＭＤ４８ Ｍ０ＶＤ ３ｏｏＯ．ＳＭｎ５２ ＨＳＣ １ ［２］李娜娜．光电式扭矩传感器的研究：［学位论文］．北京：北方工业 大学，２００９． 内套筒步进电机初始化： ＬＤ ＳＭＯ．Ｏ ［３］ 程武山，许勇．低压断路器智能测试调整系统的基本原理．机械设 计与研究，２０１０，２６（２）：１１４—１１７． ＭＯＶＢ １６鸺Ｄ．ＳＭＢ７７ Ｍ０ＶＷ ８Ｏ．ＳＭⅥ叩８ ［４］ 杨海马．基于能量和信号无线传输轧钢机接轴扭矩传感器的研 究：［学位论文］．秦皇岛：燕山大学，２００４． ［５］ 巴军．环型空间阵列扭矩传感器测量系统的研究：［学位论文】．重 庆：重庆大学，２００９． Ｍ０ＶＷ Ｏ．ＳＭＷ８Ｏ ＭＯＶＤ ５０ｏ０．ＳＭＤ８２ ＰＬＳ １ 内套筒高速计数器初始化： ＬＤ ＳＭ０．１ ［６］ 欧大生，张剑平，秦建文．磁电相位差式转矩测量技术研究．电子 测量技术，２００７（０４）：１００—１０３． ＨＤＥＦ ２．８ ＭＯＶＢ １６＃Ｆ８．ＳＭＢ５７ ［７］ 司海立，程武山，孙鑫，等．磁栅位移传感器在步进电机控制系统 中的应用．工业仪表与自动化装置，２００９（０２）：５５—５７． ［８］西门子ＳＩＭＡＴ ＩＣ ｓ７—２００系统手册，２００４． ［９］朱希余，金霄兵．塑壳断路器特性与自动检测．电工技术，２００２ （９）：６４—６６． ＭＯＶＤ ０．ＳＭＤ５８ Ｍ０ＶＤ ３０ｏＯ．ＳＭＤ６２ ＨＳＣ ２ 作者简介：刘汝斌（１９８７一），硕士研究生，研究方向为运动控制在工业 系统中的应用。Ｅ－ｍａｉｌ：４１６９７１５６６＠１６３．ｃｏｍ （上接第２页） 方法能过很好地区分出正常和故障的传感器，实用性强，为船 （２）如果传感器出现损坏，通过数学模型可以看出电导值将降 低。实验所用传感器整个回路的总阻值不超过１５ Ｑ，而一旦出 现损坏， ，Ｒ：将达到几十到几百ｎ，从而使系统的电导明显减 小，这样就很容易判别传感器是否出现故障。 ３．２故障情况下实验及结果分析 将故障传感器（一对电极故障，另一对电极完好）置于海水 中，两对电极的导通电阻分别为：０．２２３ Ｑ，０．３１２ ｎ和３３．４２０ ｎ，０．３３５ ｎ．可以看到其电导变化是非常明显的（见表２），一方 舶装备的保障提供了新的思路和方法。由于模型是建立在海 水这种强导电环境下，因此对于弱导电情况还需进一步的分 析。 参考文献： ［１］刘铁军．工程电导测试技术及应用研究：［学位论文］．杭州：浙江 大学，２００６． ［２］胡宗定，王一平．工程电导测试技术．天津：天津大学出版社， １９９０：３９—４０． 面这是由于腐蚀后Ｒ ，Ｒ 增大（其中一个达到３３．４２０ Ｑ），另一 个原因是回路电流减小，反应速度减慢，ｚ。， 变大。这两个因 ［３］ ＣＨＥＮ Ｇｅ—ｈｕａ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｍｅｔｅｒ． ＩＥＥＥ ２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＣＭＣＥ），２０１０：３５２． 素重叠放大了电导变化的幅度。 表２故障传感器的测试结果 ｍ８ ［４］ 张敏．一种新型工业电导信号测量仪的研制：［学位论文］．杭州： 浙江大学，２００５． ［５］高颖，邬冰．电化学基础．北京：化学工业出版社，２００４，９（１）：１７０ —１７５． ［６］夏兰廷．金属材料的海洋腐蚀与防护．北京：冶金工业出版社， ２００３：１２． ４结束语 ［７］ 刘大卫．均匀大块导电介质的电阻计算．贵州大学学报，２００９（４）： ２６（２）：５２—５３． 文中依据电化学原理，提出一种新的测量方案，通过测量 电极一海水回路系统的电导来判断仪器的工作情况。文中构 作者简介：许扬文（１９８５一），硕士，主要从事船舶智能化研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｙａｎｇｗｅｎ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ． 建了回路系统的数学模型，通过模型分析和实验验证，该检测