基于单片机的小型测功机装置的设计与应用

摘 要: 目前市场测功机装置价格昂贵,为此对他励式电机测功机进行研究,设计出采用应变电桥的转矩传感器，基于单片机的电机测功装置，测功机装置精度达到1%；并对转矩、转速进行智能化测量，给出测量子程序，实际测试结果符合实际。 关键词: 测功机，传感器，转矩，单片机 测功机是用于测量各种动力机械转速、转矩、功率的测试设备，它不仅对产品质量分析、质量检验、新产品鉴定及生产过程的自动控制等极为重要,而且对研究电机的动态过程以求取最佳运行状态也有重要的意义。随着生产水平的提高、科学技术的发展，测功机已成为科研部门和动力机械生产厂必须具备的测试设备。本文设计的测功机，采用了单片机处理数据，不但测量准确，而且使转矩转速测量更容易实现自动化。 1 测功机装置的试制 1.1 原理分析 当被测电机旋转带动测功机的转子旋转时,若给测功机加入直流励磁电压,则测功机中有磁场存在,此时测功机转子旋转且切割磁力线产生电枢电流,电枢电流和磁通相互作用产生制动转矩,同时测功机定子受到一个相反方向的转矩作用,便在测功机传感器轴上产生压应力,在正常工作范围内,压应力与传感器轴所承受的转矩成正比。如果在传感器轴产生最大压应力方向上粘贴电阻应变片,则应变处的电阻值就随着压应力的大小而变化。由应变片组成的桥式电路如图1所示,给应变片电桥加上基准电源V1,则通过测量电桥的输出电压V2值就能得出压应力的变化,从而即能测量出转矩的大小。 为寻找应变片电桥输出电压值与所测转矩大小的关系,需要用标准砝码进行校验。即当测功机定子受到转矩作用后便旋转且在传感器轴上产生压应力时,测量出此时应变片电桥的输出电压值;再利用杠杆装置,给测功机定子施加砝码,当测功机定子不再回转时,砝码施加的平衡转矩即与测功机中转矩相等;在工作范围内测取足够数据,便可拟合出正常工作时应变片电桥输出电压值与所测转矩之间关系。 1.2 测功机传感器电路设计 4个电阻应变片粘贴在与轴线成45°角的方向上，组成全桥回路，这种接法可消除轴向力及弯曲力的影响。应变片电桥做好后,转矩信号转换成电信号,就可以利用单片机系统对信号进行采集、处理与显示。但是应变片电桥输出的电压信号太弱,首先要经过放大电路放大为0~5V的直流电压信号,为了使下一级电路具有较好的性能,放大后要接上一级电压跟随器,然后接上调零电路,这时的信号还会因测功机定子转向不同而有正有负,必须接上一级绝对值放大电路,再由0809转换为数字量,最后经光耦隔离后送到8031单片机对所采集信号进行储存、处理,再送到外围显示电路经LED实现测试数据的自动显示。如图2所示： 1.3 测功机标定及误差分析[3] 测功机运行前须进行转矩标定和调零，以消除线性误差和零度误差；对采集数据的处理是保证测试有效和测试精度的主要手段。用标准砝码校验转矩所得到的数据，运用MATLAB软件，用函数polyfit( )对数据进行定阶数的多项式拟合；调用方式为：p=polyfit(x.y.n),用最小二乘法对输人的数据x和y用n次多项式进行逼进，其中y为转矩，单位为N•m，x为经一级放大后传感器输出电压，单位为V，n为多项式的阶数，取n=1。拟合出的测功机传感器输出电压与测功机传感器轴所受转矩的关系为：y=0.491x+b。式中常数b随测功机定子旋转方向不同而不同，它完全可由转矩调零电路进行补偿。从拟合结果可知,传感器非线性度小于0.8%,可见测功机经标定后保证了测量的准确性。 2 测功机测试转矩、转速装置的硬件 电路 测试装置由底座、电机测功机、被测电机、操作面板、数据采集及显示系统组成。其中,测功机是一台他励直流电机,当测试被测电机的转矩时,将测功机与被测电机同轴相连、固定在装置底座上。操作面板上有测功机的励磁电源输入、调零、过载显示与复位按钮。数据采集系统是利用8031单片机对转矩信号进行采集与处理,显示板用于显示所测转矩的数值。硬件结构框图如图2所示： 1)单片机8031是测试装置的核心，它对转矩及转速脉冲进行计数，算出转矩及转速的数值，管理键盘和显示器，修改内存给定数据，显示转矩和转速。 2)存储器，一片2732EPROM作为存储程序之用。 3)接口，一片8279I/0分别接有两个4位LET数码显示器及键盘操作系统。 4)定时器/计数器，外接一块8253定时器/计数器，满足转矩和转速脉冲同时计数 此外,还需设计一系列保护电路以保护被测电机、测功机及电源等设备。如测功测速机过流、过压保护电路;被测电机过流、过压保护(电流及电压的给定值应根据所测电机不同而进行调整)电路等。 3 测试装置系统的软件设计 软件主要由以下几个功能模块组成：主程序、T1中断子程序、A/D转换子程序及显示程序四部分。主程序中要完成系统的初始化、T1中断的开启工作方式的设置、A/D转换子程序的调用及测试结果的显示。在A/D转换子程序中要完成对转换所得的数字量进行滤波及标度变换处理,并将处理结果暂存显示缓冲区。T1中断子程序要完成定时从显示缓冲区读取数据。显示子程序要完成根据显示缓冲区的数据进行BCD码查表,并求取相应的段码,最后送显示板显示。 转矩和转速的测量实质归结为对两种脉冲频率的测量，下面给出转矩和转速测量程序： CE: MOV TMOD,#15H CLR TR0 CLR TR1 MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H MOV TL1,#00h MOV TH1,#00H SETB TR0 CEN1: MOV A,TL0 CJNE A,#10H,CEN1 SETB TR1 CEN2: MOV A,TL0 CJNE A,#97H,CEN2 CLR TR1 CLR TR0 MOV NM1,TH1 MOV NM2,TH1 CERN:CLR TR0 CLR TR1 CLR ET0 CLR 09H MOV TMOD,#11H MOV RT3,#00H MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV TH0,#30H MOV TL0,#00H SETD ET0 SETB TR0 CRN1; JB 09H,CRN4 JB P3.3,CRN1 SETB TR1 CRN2: JB 09H,CRN4 JNB P3.3,CRN2 CRN3:JB 09H,CRN4 JB P3.3,CRN3 RDT:MOV ,TH1 MOV TEM2,T1.1 INC RT3 CLR C MOV A,#30H SUBB A,TEM1 JNC CRN2 CLR TR0 CLR TR1 CLR ET0 MOV RT1,TEM1 MOV RT2,TEM2 SJMP RET0 CRN4: CLR TR0 CLR ET0 RET0: RET INC RT3 CLR C MOV A,#30H SUBB A,TEM1 JNC CRN2 CLR TR0 CLR TR1 CLR ET0 MOV RT1,TEM1 MOV RT2,TEM2 SJMP RET0 CRN4: CLR TR0 CLR ET0 RET0: RET 4 实验结果及分析 对一台二极鼠笼式三相异步电动机进行机械特性测试。测试方案是从空载开始。每加载降低转速到一定值即记录本文研制的测功机实验装置的转矩测试结果,直到电机接近堵转;然后减载升速,每升到一定转速并记录之…。直至空载。测试数据如表1： 该电动机的N=f(T)曲线如图4所示。 由于电动机的不稳定工作点难以测量,故图4曲线中的不稳定工作区难以全面反映实际情况,曲线也不够平滑,但电机稳定工作区的测试结果符合实际。 结 语 调节励式电流可使测功机输出转矩的范围在一定程度上变化，变化范围一般不大于5N﹒m，因此设计的测功机用在小型电机中。基于单片机的电机测功机成本低,功能全,使用、维护方便；用此测功机组成的测试装置能高精度、智能化地测量电机转矩,且测量时传感器均为固定,无需人手操作,测试方便、可靠,为进行电机研究提供了良好的条件,并节约了可观的费用,创造了良好的市场潜力。