一种兼顾灵敏度的前提下提高力矩传感器量程的方法与流程

本发明属于测试传感领域，涉及一种可用于增大力矩传感器量程的方法，尤其是基于DSP和PID算法的电磁补偿控制方法。

背景技术：

传感器的技术不断发展，当今时代，从航天工业到日常生活都离不开各式各样的传感器。其中，力矩传感器是航空航天、航空、船舶、汽车等领域中应用最广泛的传感器之一，这些行业的不断发展对力矩传感器的要求也越来越高，然而在现有技术情况下，在力矩传感器设计制造的过程中却面临量程和灵敏度无法兼顾的困难。客观上需要研发一种能保证力矩传感器灵敏度但又能提高其量程的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种兼顾灵敏度的前提下提高力矩传感器量程的方法，克服现有技术中存在的上述缺点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种兼顾灵敏度的前提下提高力矩传感器量程的方法，待测量外力矩作用在力矩传感器上时，力矩传感器会有信号输出，将所述信号经过A/D转换，获得电磁铁的控制信号，控制信号经过D/A转换和放大后用于驱动电磁铁，使其产生一个和待测量外力矩方向相反的力矩作用于力矩传感器上，然后再次对力矩传感器的输出进行采样；若力矩传感器所受的合力矩不为0，则根据当前力矩传感器的输出对电磁铁的控制信号进行重新计算，通过这样的一个闭环控制让电磁铁产生的反向力矩和所需测量的外力矩大小相等，从而使得作用在力矩传感器上的合力矩为0，此时通过电磁铁作用在力矩传感器上的力矩就能间接得到待测外力矩的大小和方向；此时若一个较大的力矩作用在小量程高灵敏度力矩传感器上时，控制电磁铁的输出，从而实现对力矩传感器进行实时的电磁补偿用来抵消作用在力矩传感器上的外力矩，将力矩传感器的功能转化为判断电磁补偿和外力矩是否平衡，实现力矩传感器的灵敏度不变而量程大大被提高。

进一步，优选地，所述信号经过A/D转换后输入到DSP数据处理电路中进行基于卡尔曼数字滤波的PID算法运算获得电磁铁的控制信号。

优选地，所述此时若一个较大的力矩作用在小量程高灵敏度力矩传感器上时，通过DSP高速的数据处理能力来控制电磁铁的输出。

优选地，采用基于卡尔曼数字滤波的位置式PID算法，首先对芯片进行初始化，完成芯片内部管脚、片内资源的配置；然后配置McBSP多功能同步串行接口，时钟Timer以及中断；初始化PID参数，并且令初始偏差e(0)＝0,目标值r(0)＝0；

完成以上基本配置后，进入PID控制循环；首先采入c(k)值，然后计算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之后对所述偏差进行累加，通过位置式PID算法计算得到控制量u(k)，然后将e(k)的值赋给e(k-1)，等待Timer1延时触发；

将控制量u(k)进行D/A转换，将转换后的信号通过放大电路放大，用放大后的信号来驱动电磁铁，电磁铁输出产生的力矩与外力矩形成合力矩，三维力矩传感器会对合力矩产生响应，将响应模拟信号转换为数字信号；当Timer1定时中断满足中断条件后，再次采入c(k)值，开始下一次PID控制。

由于采用了上述技术方案，本发明能在保证力矩传感器灵敏度的前提下提高其量程。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图。

图2为本发明方法基于卡尔曼数字滤波的PID算法框图；

图3为本发明方法基于卡尔曼数字滤波的位置式PID算法控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图所示对本发明作进一步的说明。

本发明一种兼顾灵敏度的前提下提高力矩传感器量程的方法：待测量外力矩作用在力矩传感器上时，力矩传感器就会有信号输出，信号经过A/D转换后输入到DSP数据处理电路中进行基于卡尔曼数字滤波的PID算法运算获得电磁铁的控制信号，控制信号经过D/A转换和放大后用于驱动电磁铁，使其产生一个和待测量外力矩方向相反的力矩作用于力矩传感器上，然后再次对力矩传感器的输出进行采样，看力矩传感器所受的和力矩是否为0，若不为0则根据当前力矩传感器的输出对电磁铁的控制信号进行重新计算，通过这样的一个闭环控制可以快速的让电磁铁产生的反向力矩和所需测量的外力矩大小相等，从而使得作用的力矩传感器上的合力矩为0，此时通过电磁铁作用在力矩传感器上的力矩就能间接得到待测外力矩的大小和方向。此时若一个较大的力矩作用在小量程高灵敏度力矩传感器上时，通过DSP高速的数据处理能力来控制电磁铁的输出，从而实现对力矩传感器进行实时的电磁补偿用来抵消作用在力矩传感器上的外力矩，将力矩传感器的功能变成判断电磁补偿和外力矩是否平衡。通过这种方法可以实现保证力矩传感器的灵敏度不变而量程大大被提高。

以下以一个小量程高灵敏度的力矩传感器作为实施对象为例，介绍本发明基于DSP的力矩传感器电磁补偿控制方法。硬件部分如图1所示，包括：信号调理电路、A/D转换电路、DSP数据处理电路、D/A转换电路、驱动放大电路，电磁铁。

在信号调理电路中选用了美国ADI公司生产的AD620和ADA4062-2芯片，其中AD620芯片对力矩传感器输出的信号进行放大，ADA4062-2则配合电阻电容组成有源滤波电路兼备滤波和放大作用。AD转换电路中AD芯片选用美信公司的MAX1301。转换后的离散数字信号在DSP数据处理电路中控制单元选用德州仪器生产的TMS320C6416芯片。D/A转换电路中D/A芯片选用美信公司的MA5725。驱动电路中放大器选用美国TI公司生产的OPA548芯片。

总的来说整个控制系统分为七个环节，如图1所示。当外力矩作用于力矩传感器上时，力矩传感器会输出一个信号，通常传感器输出的信号很微小、且夹杂很多干扰，因此需要先通过信号调理电路进行滤波、放大等操作。经过信号调理电路之后所输出的信号大小合适且杂波已被过滤干净，但还是模拟量，但是控制单元不能对模拟量进行直接处理，因此经过处理之后的信号需要进行AD转换，将模拟量转换成数字量之后才能通过控制单元进行控制。经过AD转换之后的信号传递给DSP数据处理电路进行处理，根据传感器所输出的信号通过算法计算电磁铁的控制量，并输出。此时所输出的为数字量，但数字量并不能直接用于电磁铁的控制，因此需要通过DA转换，将DSP数据处理所得的电磁铁控制量转换成模拟量。但由于DA芯片的输出不足以驱动电磁铁，因此需要电磁铁驱动电路来按照DA转换的输出结果来驱动电磁铁。电磁铁作为整个系统的最终执行器，重新作用在力矩传感器上。系统工作时按照这样处理过程循环，直到测试过程结束。

进一步，在DSP数据处理电路进行数据处理的过程中引入PID算法来控制电磁铁的输出，用以平衡作用在力矩传感器上的外力矩，由于卡尔曼数字滤波算法能有效的控制干扰信号和测量噪声信号，因此将其加入到传统的PID算法中可以有效地抑制外界干扰、减少超调量、降低系统的稳态误差，使得电磁补偿的实时性更好，精确性更好。

基于卡尔曼数字滤波的PID算法框图如图2所示。图中r_in为预期的给定值，即平衡时力矩传感器的输出值。u为控制偏差经过PID算法计算后的控制信号作用于被控对象即本发明中的电磁铁，同时作为前一时刻的估计值输入到卡尔曼数字滤波器中，在控制信号u作用在被控对象的过程中会引入过程噪声W。y为被控对象的输出信号，y_outv为现时刻的观测值，其中引入了观测噪声V。y_out是经卡尔曼滤波后的输出信号。

本发明采用基于卡尔曼数字滤波的位置式PID算法，算法控制流程图如图3所示。首先对TMS320C6416芯片进行初始化，完成芯片内部管脚、片内资源的配置；然后配置McBSP多功能同步串行接口，时钟Timer以及中断；初始化PID参数，并且令初始偏差e(0)＝0,目标值r(0)＝0。完成以上基本配置后，接下来进入PID控制循环。首先采入c(k)值(所述c(k)为高灵敏度力矩传感器所输出的信号被采集的结果，即PID算法中的采样值。采样值c(k)和目标值r(0)的差值就是偏差e(k))，然后计算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之后对偏差进行累加，通过位置式PID算法计算得到控制量u(k)，然后将e(k)的值赋给e(k-1)，等待Timer1延时触发。同时将控制量u(k)输出到MAX5725进行D/A转换，将转换后的信号通过放大电路放大，用放大后的信号来驱动电磁铁，电磁铁输出产生的力矩与外力矩形成合力矩，三维力矩传感器会对合力矩产生响应，用MAX1300将响应模拟信号转换为数字信号。当Timer1定时中断满足中断条件后，再次采入c(k)值，开始下一次PID控制。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。