基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器误差分析与性能实验研究

发布时间：2020-06-12 17:39

【摘要】：光电式转矩传感器测量技术以其测量精度高、抗干扰能力强、动态响应频率高和结构紧凑等优势,在自动化生产中得到了广泛的应用。然而由于光电式转矩传感器测量过程中受工作原理、弹性体结构以及测量电路的影响,在实际转矩测量使用中其测量精度仍难以保证。因此如何优化光电式转矩传感器弹性体的结构,降低测量误差等已成为光电式转矩传感器测量技术中的研究热点和关键问题。本文以自主开发的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器为研究背景,围绕光电码盘式转矩传感器测量原理、传感器系统性误差建模、信号处理以及转矩传感器实验研究,为提高光电式转矩传感器测量精度,优化光电式转矩传感器设计提供理论依据。分析光电式转矩传感器的工作原理及测量方法,对光电传感器弹性体、码盘及外部结构进行了开发设计,得到了转矩传感器码盘、弹性体制造精度等参数对传感器测量性能参数的影响,系统的设计了不同量程的转矩传感器弹性体,同时设计了光电式转矩传感器样机。通过光电码盘式转矩传感器设计,对传感器样机弹性体进行了静、动力学分析,分析弹性体直径、长度、码盘半径等对其扭转振动频率影响的变化规律,并通过有限元软分析了所设计转矩传感器样机弹性体的应力应变曲线及扭转振动固有频率。分析光电式转矩传感器弹性体结构,得出影响光电式转矩传感器测量精度的主要因素是弹性体码盘齿形一致性误差及码盘端面圆跳动,建立了上述传感器弹性体制造误差与测量误差之间的数学模型,同时分析了弹性体安装误差、弹性体非线性误差以及测量温度等对传感器测量精度的影响,提出了相应的误差补偿原理。根据上述误差建模及误差补偿原理,设计了光电式转矩传感器光电信号测量电路,对光电断路器工作原理及光电信号测量处理中出现的测量误差进行了分析,建立了光电信号测量误差对传感器精度影响的数学模型,通过单片机搭建了光电传感器测量电路,进行了误差补偿模块的设计。搭建了基于光电码盘信号相位差的转矩测量静、动态实验平台,完成了传感器光电信号上位机采集软件设计,对光电式转矩传感器样机性能进行了静、动态实验研究,对光电式转矩传感器测量误差及误差补偿原理进行了研究分析。实验结果表明:所设计光电式转矩传感器样机其测量精度±1.56%FS,滞后性误差为1.24%FS,灵敏度为0.48°/N.m,通过误差补偿算法,能够较大的提升转矩传感器测量精度,影响转矩传感器测量精度的主要因素为弹性体制造误差。
【图文】：

转矩传感器、光电式转矩传感器等转矩测量设备。就目前而言，由于光电式的测量方法具有环境适应性强、测量精度高、应用范围广等优势，引起了国内外学者专家对其进行不断深入的研究。转矩测量技术应用范围非常广泛，几乎在所有智能制造业领域中都能看到其应用，如电机、柴油机、交通、汽车、船舶制造、石油、化工机械、煤炭、冶金、航空航天、军工行业等。如图 1-1 所示为转矩传感器在汽车转向控制电动助力转向系统（EPS）中的应用，其作为核心部件通过实时监测汽车驾驶员对方向盘施加的转矩，实时进行转矩补偿，降低驾驶员对方向盘施加的转矩，提高驾驶汽车的舒适性和稳定性。由于目前机械结构倾向于一体化、模块化，结构越来越紧凑，因此对传感器安装空间等相对较小，结构设计要求越来越高。如图 1-2 所示转矩传感器用于电机性能的检测，电机输出转矩的稳定性对传动设备能否稳定传动有重要影响，因此汽车发动机、电动机等传动设备的研发和生产均需要通过转矩传感器的对其动力进行测试。随着智能制造的不断发展，对传感器的检测精度、测量量程、环境适应性、互换性上的要求越来越严格。同时随着机械设备的机电液一体化、智能化、数字化、其工作磁电环境越来越复杂，对转矩精度、实时性要求也越来越高。

转矩传感器、光电式转矩传感器等转矩测量设备。就目前而言，由于光电式的测量方法具有环境适应性强、测量精度高、应用范围广等优势，引起了国内外学者专家对其进行不断深入的研究。转矩测量技术应用范围非常广泛，几乎在所有智能制造业领域中都能看到其应用，如电机、柴油机、交通、汽车、船舶制造、石油、化工机械、煤炭、冶金、航空航天、军工行业等。如图 1-1 所示为转矩传感器在汽车转向控制电动助力转向系统（EPS）中的应用，其作为核心部件通过实时监测汽车驾驶员对方向盘施加的转矩，实时进行转矩补偿，降低驾驶员对方向盘施加的转矩，提高驾驶汽车的舒适性和稳定性。由于目前机械结构倾向于一体化、模块化，结构越来越紧凑，因此对传感器安装空间等相对较小，结构设计要求越来越高。如图 1-2 所示转矩传感器用于电机性能的检测，电机输出转矩的稳定性对传动设备能否稳定传动有重要影响，因此汽车发动机、电动机等传动设备的研发和生产均需要通过转矩传感器的对其动力进行测试。随着智能制造的不断发展，，对传感器的检测精度、测量量程、环境适应性、互换性上的要求越来越严格。同时随着机械设备的机电液一体化、智能化、数字化、其工作磁电环境越来越复杂，对转矩精度、实时性要求也越来越高。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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本文编号：2709879