转动惯量测量电路与实现

    转动惯量是质量特性参数测量的重要部分，在多个领域从产品的设计、生产和控制系统中都起着举足轻重的作用，直接关系到产品设计成败和产品的质量。从航空工业对飞机转动惯量的测量到汽车工业对转动部件惯量的测量，无不体现着其测量的重要性。本文以实验室某回转机械传动系统为研究模型，采用单片机作为核心控制器件，重点研究了转动惯量测量过程的硬件和软件设计。

1 被测系统结构简介
    研究的回转机械传动系统结构如图1所示。

    试验设备清单如下所述：
    变频器一台：输入规格为AC 3PH 380～460 V，50／60 Hz；输出规格为AC0～240 V 1．7 kVA 4．5 A；
    变频范围：2～200 Hz。
    三相异步电机：额定功率为0．55 kW；额定转矩为3．5 N·m；同步转速为1 500 r／min；输入电压为380 V。
    转矩传感器：额定转矩为10 N·m；
    转速传感器：转速范围为0～6 000 r／min；
    转矩转速测试卡：转矩测试精度为±0．2％FS；转速测试精度为±0．1％。

2 硬件设计
2．1 整体硬件结构图
    硬件电路设计是该测量系统的核心部分，它不仅负责传感器信号的采集、处理、传输等任务，而且负责接收上位机的控制命令，并将采集到的数据传送给上位机，从而使整个系统可靠、有序的工作。整个电路主要由传感器信号采集电路、单片机控制电路、继电器控制电路、通信接口电路及电源模块组成。整体硬件电路设计框图如图2所示。

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2．2 信号输入／输出电路
2．2．1 模拟量输出调理电路
    硬件电路中只有控制转矩输出为模拟量输出信号，由于ADuC812的D／A口输出的电压值为0～2．5 V，而变频器接收的电压值是0～10 V，所以需要经过运算放大器放大，在接人运算放大器之前，先要接由运放组成的DAC输出缓冲器，缓冲器连接成跟随器的形式，保证了输出放大器的通带和负载能力。电路连接如图3所示。

2．2．2 扭矩传感器信号采集电路
    扭矩传感器的输出信号为1～5 V，如果直接传输至单片机，则可能会由于传输距离过长及试验中的电磁干扰影响到反馈信号的精度。所以为了增强抗干扰性，提高传输精度，采用4～20 mA的电流传输。它的传输电路如图4所示。

    传输电路中将扭矩传感器传输过来的4～20 mA电流信号通过Rio还原为0～2．5 V的电压信号，以供单片机采样之用。转换后的电压信号还不能直接接入单片机的ADC口，需要先接入由运放组成的缓冲器。为了实现阻抗匹配和滤除高频干扰，运放的输出串接有51Ω电阻和0.01μF电容组成的低通滤波网络。[page]

2．3 继电器控制电路
    在实际工作中，电机可能有正转、反转等多种工作状态，电机的转动状况需要通过测量电路实现。由于电机是强电设备，功率较大，这要求测量系统必须具有将输出的低电压、小电流信号转换成为高电压、大电流信号的装置。在此选用电磁继电器就能很好的满足上述要求，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器的驱动电流一般很小，但它能带负载的电流却很大，只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中导通、切断的目的。

    继电器控制电路如图5所示。电磁继电器能够很好的把测量电路和电机隔离开来，不过继电器在开关动作时，内部会产生很高的感应电动势，因此它的回路要反接二极管来提供泄流回路来泄放关断时线圈中的剩余电流，以保护三极管不被反电势击穿。

3 软件设计
    转动惯量测量系统是一种硬件与软件相结合的技术，软件是控制系统的工具，为了增加软件的可读性，清楚的表达设计思路，应尽量使程序模块化。软件部分主要包括角度检测子程序、转矩控制检测子程序、系统通信发送子程序、PC机接收通信子程序、延时子程序、LCD驱动程序、A／D转换程序和数据处理和电磁阀控制程序等。软件流程图如图6所示。

4 结语
    本文设计的转动惯量测量系统以单片机为核心，并充分结合其他外围芯片器件的功能，可以实现回转机械传动系统转动惯量的自动检测，有很好的可行性和较强的实用性。