专利名称：一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测
量方法。
背景技术：
越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。电动执行机构的输出扭矩是执行机构的一个重要参数，是保证机构控制精度与正常运行的关键技术指标。在现场操作时，为了保证机构开、关到位，同时为了保障电动机的正常运行，需要实时检测电动机的输出扭矩。文献《阀门电动执行机构故障诊断研究》指出传统的转矩传感器，如JCZ智能转矩转速传感器、JN338系列智能数字式扭矩传感器等，不适宜安装在空间狭小的电动执行机构内部，且需要经常校对，对电动执行机构的密封性不利。文献《基于DSP的电动执行机构的设计与实现》是通过检测电动机的电流来监测输出扭矩，这种方法忽略了功率因数COScD的影响，检测出的电动机输出扭矩将产生延时，测量实时性不足。
发明内容
本发明是针对现在电动执行机构的输出扭矩测试环境适应性差的问题，提出了一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，通过瞬时能量软测量方式来标定电动机的输出扭矩；通过非接触式方法来采集电动机的电流和电压信号，增强了扭矩测量的稳定性和抗干扰能力；采用类SPI模式采集瞬时能量，其中SPI通道带有光电隔离器，保证了电动机输出扭矩检测的控制精度、实时性等。本发明的技术方案为一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法， 电流型电压互感器和霍尔传感器通过非接触方式采集电动机的电压和电流信号，经过转换电路和滤波电路，接入到CSM60A电能芯片的电压通道和电流通道，得到瞬时功率信号，经过时间累加，采集到M位瞬时能量信号后，以类SPI模式，经过光电隔离器输入给DSPIC30F6014A数字信号处理芯片，经过计算得出电动执行机构的输出扭矩，所述DSPIC30F6014A数字信号处理芯片，其7、13引脚分别通过PS2501-2光电隔离器接到 CS5460A的SDO数据输出、INT中断信号引脚，其10、14、16,76引脚分别通过PS2501-4光电隔离器和MC14106BG整形电路之后接到CS5460A的DSI命令输入、RESET复位信号、CS片选信号、SCLK时钟信号引脚；所述的电压互感器为TYPT31D微型精密电流型电压互感器，其3 引脚接到三相电源的U相，2引脚分别经过电阻接到三相电源的V、W相，1引脚通过限流电阻接到CS5460A电能芯片的10引脚，4引脚通过限流电阻接到CS5460A的9引脚；所述的霍尔传感器为20A/20mA，通过电阻转换为电压信号，分别接到CSM60A的15、16引脚。所述CSM60A电能芯片与DSPIC30F6014A数字信号处理芯片之间的数据传输，采用类SPI模式，即有数据请求，SPI信号有；无数据请求，SPI信号无。所述电压通道采集电路，U、V、W三相电源的相位角度关系，经过变换转换为电动机的单线电压，经过变压器转换为0-20mA的电流信号，经过并联与变压器次级的精密电阻R 后转换为电压信号，经过RC低通滤波器输出。所述电流通道采集电路，霍尔传感器采集电动执行机构电动机的输出电流，经过并联电阻转为电压信号，经过滤波器输出。本发明的有益效果在于本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法， 通过瞬时能量软测量方式来检测电动执行机构扭矩的输出，采用带有光电隔离器的类SPI 模式，保证了系统的抗干扰能力；采用高速DSP芯片作为信号处理的核心部分，保证系统的实时性和高速性；由于CSM60A采用模/数转换模块可以避免模拟芯片温漂、电子脉冲计数所带来的误差，保证了系统控制的准确性；同时由于该方法对于能量的采集是通过瞬时功率的时间累加得到，而且瞬时功率是根据公式I3S=WI^coso (υ为电压瞬时值；ι为电流瞬时值；COScD为功率因数)得到，保证了扭矩信号的实时性和准确性。
图1为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量系统结构图2为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法中电压通道采集电路原理图3为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法中电压通道原理计算图； 图4为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法中电流通道采集电路原理图5为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法中能量采集流程图； 图6为本发明基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法中硬件控制电路连接图。
具体实施例方式如图1所示基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量系统结构图，电流型电压互感器和霍尔传感器采集电动机的电压和电流信号，通过精密电阻、滤波电容之后，输入到 CS5460A电能芯片的电压、电流通道，通过计算得到瞬时功率信号，经过时间的累加，得到 M位瞬时能量信号。经过光电隔离器输入给dsPIC30F6014A数字信号处理芯片，根据数据库内的公式，经过DSP数字信息处理芯片计算得出电动执行机构的输出扭矩。其中电动机的输出扭矩和功率之间的关系为T=9550P/n，而CSM60A瞬时能量与功率的关系，可表示为 E=Pa*t (Ε表示t时间内的电度数；t表示测量时间；Pa为t时间内的平均有功功率)，瞬时功率的计算公式为I^s=U*I*C0ScI)，而有功功率1 是通过瞬时功率的累加平均得到。所以电动执行机构扭矩和瞬时能量的关系可表示为T=9550E/(n*t)，它们之间存在特殊对应关系。图2所示为本发明电压通道采集电路原理图，由于U、V、W三相电源的相位角度关系，经过变换转换为电动机的单线电压，经过变压器Ul转换为0-20mA的电流信号，经过精密电阻R23转换为电压信号，输入给CSM60 A。R25主要有两个作用一个是与C21构成低通滤波器，该滤波器可以去除所需频率外很宽频带的噪声，同时也是一个防混淆滤波器，防止A/D转换器接收高于采样频率一半的输入信号；第二个用途是对引脚提供限流保护。引脚VIN-也需要一个保护电阻，为保证对称，R27应等于R25。C2、C3主用是用来输入滤波保护，增加电路RFI抗干扰能力。图3是本发明电压通道电路原理计算图，由于U、V、W三相电，它们之间幅值相等， 相位依次相差120°，根据由余弦定理得，c=a*C0SB+ b*C0SA(a、b、c分别代表Δ ABC的三边；A、B、C 代表所对应的角)，UVl = IUl *C0S30° +|V|*C0S30° =|U|'/2，又因为 P 向量是 UV、 VW两向量矢量和，可得 P| = |UV|*C0S30° +|Uff|*C0S30° =3|u|，根据图2所示，C12两端的电压为UC12=|P|/(510*103)*R23,所以C12两端的电压为154mV。由于CS5460A电压输入通道的范围为士250mv，交流电压有效值Vl=250*0. 707=176mV>154mV，满足电压通道的输入要求。图4所示为本发明电流通道采集原理图，通过霍尔传感器(20A/20mA)采集电动执行机构电动机的输出电流，通过R20精密电阻转换为电压信号，输入给CSM60A。其中R26、 R28作用如同电压通道中R25、R27主要起滤波和保护用。图5所示为本发明能量采集流程图，首先初始化CSM60A各个寄存器，查看初始化是否成功，如果初始化成功，则继续进行，如果初始化不成功，则继续初始化；判断CSM60A 是否有新数据请求产生，如果有数据请求，则进行下一步，如果没有数据请求，则等待新数据的产生；如果有数据请求产生，则使SCLK引脚置0，并且预置SDO数据，然后使SCLK引脚置1，实现边读取SDO数据、同时边写入SDI数据；判断32位的报文数据是否发送完毕，如果发送完毕，则把SPI缓冲区的数据复制到数据库中，若果没有发送完毕，则等待32位报文发送完毕；最后时钟信号停止，缓冲区数据清零，继续等待CS5460A是否有数据请求产生。图6所示为本发明硬件控制电路连接图，DSP的7、10、13、14、16、76分别接到 CS5460A的SDO数据输出、DSI命令输入、INT中断信号、RESET复位信号、CS片选信号、SCLK 时钟信号引脚。为了保证系统的实时检测，保证主程序无延时，系统采用了 Timer4中断来实现SPI时序信号，其SPI时序信号组织的基本原则为有数据请求，SPI信号有；无数据请求，SPI信号无。这样保证了只有CSM60A有数据请求的时候，才产生时序信号，占用DSP的空间，提高了 DSP的利用率。由于系统采用了光电隔离器，在增加系统抗干扰能力的同时， 光电隔离器的延时作用，使系统的SPI信号产生了爬坡现象，因此通过整形电路输出的方波信号的占空比将放生变化，这样减小了系统的稳定性和准确性，为了克服爬坡现象的出现，必须增大上拉电阻的阻值，以减小爬坡时间，但是过大的上拉电阻，又导致光电隔离器的导通电流变小，对于上拉电阻的选择通过实验确定电阻选择为3. I。
权利要求
1.一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，其特征在于，电流型电压互感器和霍尔传感器通过非接触方式采集电动机的电压和电流信号，接入到CSM60A电能芯片的电压通道和电流通道，得到瞬时功率信号，经过时间累加，采集到M位瞬时能量信号后， 以类SPI模式，经过光电隔离器输入给DSPIC30F6014A数字信号处理芯片，经过计算得出电动执行机构的输出扭矩，所述DSPIC30F6014A数字信号处理芯片，其7、13引脚分别通过 PS2501-2光电隔离器接到CSM60A的SDO数据输出、INT中断信号引脚，其10、14、16、76 引脚分别通过PS2501-4光电隔离器和MC14106BG整形电路之后接到CSM60A的DSI命令输入、RESET复位信号、CS片选信号、SCLK时钟信号引脚；所述的电压互感器为TYPT31D微型精密电流型电压互感器，其3引脚接到三相电源的U相，2引脚分别经过电阻接到三相电源的V、W相，1弓丨脚通过限流电阻接到CSM60A电能芯片的10引脚，4引脚通过限流电阻接到CS5460A的9弓丨脚；所述的霍尔传感器为20A/20mA，通过电阻转换为电压信号，分别接到 CS5460A 的 15、16 引脚。
2.根据权利要求1所述基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，其特征在于， 所述CSM60A电能芯片与dsPIC30F6014A数字信号处理芯片之间的数据传输，采用类SPI 模式，即有数据请求，SPI信号有；无数据请求，SPI信号无。
3.根据权利要求1所述基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，其特征在于， 所述电压通道采集电路，u、v、w三相电源的相位角度关系，经过变换转换为电动机的单线电压，经过变压器转换为0-20mA的电流信号，经过并联与变压器次级的精密电阻R后转换为电压信号，经过RC低通滤波器输出。
4.根据权利要求1所述基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，其特征在于， 所述电流通道采集电路，霍尔传感器采集电动执行机构电动机的输出电流，经过并联电阻转为电压信号，经过滤波器输出。
全文摘要
本发明涉及一种基于瞬时能量的电动执行机构扭矩软测量方法，以DSP数字信号处理芯片和CS5460A电能芯片为核心，通过瞬时能量软测量方式来检测电动执行机构的输出扭矩；通过电流型电压互感器和霍尔传感器非接触式测量电动机的电压和电流信号；经电压转换电路和滤波电路输入给CS5460A的电压通道和电流通道，计算得到24位能量信号；采用了带有光电隔离器的类SPI模式采集瞬时能量，保证了电动机输出扭矩检测的控制精度，实时性和抗干扰能力等。
文档编号G01L3/00GK102435364SQ20111027701
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者于垂顺, 张保东, 林献坤 申请人:上海理工大学