基本介紹
作者: 喻洪麟，劉旭飛，吳永烽發布日期:2006-10-02 15:10 查看數:0中文摘要
針對水輪機主軸扭矩檢測系統中的光柵扭矩感測器，設計了一種新型電路。採用ispPAC10 晶片，通過器件編程的方式，實現對模擬信號的放大、整形和濾波，避免了傳統模擬電路調試的麻煩。利用CPLD 工作頻率高的特點，進行高精度細分，結合MCU 系統，完成對數據的處理。實驗證明，以這種新型電路對扭轉角位移進行測量時，精度高達0.001º/m，實現了扭矩的實時、高精度測量。英文摘要
A new circuit used for the grating torque sensor of hydraulic turbine’s principal axis system is designed. The output analog signal of the grating torque sensor is magnified, shaped and filtered by ispPAC10 on the basis of component program, which gets rid of traditional circuit’s complex debugging. An interpolation algorithm fully making use of the characteristic of CPLD high frequency is designed and the output data is managed with MCU. Experiments prove that the precision of torsion displacement reaches 0.001º/m. Consequently high precision detection of torque is implemented in real time.電路設計
採用光柵扭矩測量法測量扭矩，根據設計出的光柵扭矩感測器，設計了光柵扭矩感測器的信號放大整形、濾波、信號處理和接口電路。該系統利用圓光柵莫爾條紋的放大微小變化的特點進行扭矩測量[1]。設計的電路利用在系統可程式(ISP) 模擬器件ispPAC10 完善的模擬器件功能，以及複雜可程式邏輯器件(CPLD) EPM7128S-7 工作頻率高的特性，對兩路輸出具有一定相位差的信號進行信號處理，精確細分，識別被測軸的旋轉方向，從而實現水輪機主軸系統扭矩的高精度測量。2.2 濾波電路設計
濾波器是電路與系統中常用的基本電路之一，但通常濾波器的實際設計調試比較麻煩，特別是電阻、電容的選配比較繁瑣。使用在系統可程式模擬器件設計濾波器就顯得比較簡單。ispPAC10 中就有100 多種庫含電容供用戶選擇，內部電阻可實現反饋功能。在該設計中，由於水輪機的轉速為0~1500 轉/min[4]，則輸入的信號頻率為0~18kHz。設計一個低通濾波器濾除高頻干擾。調用PAC-designer 設計軟體的ispPAC10 庫函式ispPAC10 Biquad Filter 雙二階濾波器，設定其電容和放大倍數，其中C1=49.04pF，C2=5.92pF，這是其中一路信號的放大濾波電路，如圖2 所示。輸出取Out2，從而實現低通濾波。根據開發軟體的模擬器觀察其幅頻和相頻特性均滿足要求，可以濾除20kHz 以上的雜質信號。
2.3 整形電路設計
在ispPAC10 中只需要一個放大器就可以實現比較器的功能。信號從IN 1 和IN 2 加入，設定IA 1 的G 為1，IA2 的G 為-1，輸入信號分別乘以1 和 -1，再求和。求和放大器OA 1 近似工作在開環狀態，有很高的增益，導致輸出根據輸入電壓的比較，在正負之間擺動，如圖3 所示。對於光電轉化並經過放大了的正弦波信號，套用該比較器將正弦波轉化成方波，該比較器是低功耗、低失調電壓比較器，失調電壓最小可達100μV。在理想狀態下，光電轉換輸出的正弦波，經過比較器的閾值電壓比較之後則整形後輸出方波。若光電三極體出來的信號是兩路正弦波，為了比較出這兩路信號的精確的相位差，我們首先把正弦信號變成方波，然後使用CPLD 細分，由於CPLD 工作頻率相當高，我們可以很方便地計算出其精確的相位差。
