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JCZ型转矩转速传感器输出信号的处理方法


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计 算机 测量 与控制 .0 5 1 ( 1  20 .3 1 )
Co mo t rM e s r me t& Co t o  u e  a u e n nrl

文章编号 : 7 — 58 20 ) 1 2 6— 3 1 1 4 9 (0 5 1 —19 0  6

>
中图分 类号 :P 1  T 22

文献标识码 :  B

J Z型 转 矩转 速传 感器 输 出信 号 的处 理 方 法  C
梁毓明,汪锋锁 ,刘志刚  
( 江西理工大学 ,江西 赣 州 3 10 ) 4 00  
摘要:为了测量转矩和转速,将转矩 、 转速信号通过 J Z型转矩转速传感器转换 成两路 正弦信 号的电信号的进行测量 ; C 介绍 了相 位   差检测电路 ,对相位差检测电路 中各结点 的信 号波形和检测电路输 出波形进 行了分 析 ,提出 了基于 P9 P 9 2 片机 的等精 度测量 的 8LC 3 单   信号处 理方法 ;该方法有效地消除转速对转矩检测 的影响 ,提高 了测 量精度 ;此 方法 已应 用于某 变速箱加载测 试系统 中,并 且取得 预  期效 果;实际应用表明 ,该方法的测量结 果准确 、 稳定 、 可靠 。   关键词 :传感器 ;相位差 ;检测电路 

Pr c sig M eh d o   eSg a  fJ o e sn   t o   ft   in lo   CZ  r u  p e  e s r h To q e s e d sn o  
Lin   mig, W a g Fe g u a g Yu n n   n s o, L u Z g n   i   hia g

(i gi n esyo c n eadT cnl y azo  4 00, hn ) J nx U i ri f i c n  eh o g ,G nhu3 10 C ia  a   v t Se o
Ab t a t n o d r t  a u e t e t r u   n   oa in ls e d,c a g st e tr u   n  h   t t n   p e   in  n o ee ti  i a  f t   i e s c :I   r e  o me s r  h  o q e a d r t t a  p e r o h n e  h  o q e a d t e r a i a s e d sg a i t  l crc sg l o   o ol l n wo sn  

sg a h u h tetru  p e   rb  fMo e C in ltr g  h o es e dp o eo  d lJ Z.Re o o q c mme d  h  h e—df rn  ee t gcrut n ye a hn d  i a  vfr a dte n step a s iee t tci  ic i,a a zsec   o esg l waeom n  h   d n l n
o t u   in l v f r o  h   i u t r p s st e p c s i g me h d o  h   i a  t h   a   r c so  o b   a n d b s d o   8 P 9 2.Th s u p tsg a  e o m  ft ec r i ,p o e  h   r e sn   t o   ft e sg l wi t e s me p e ii n t  eme r   a e   n P 9L C 3 wa c o o n h s c i   me h d ef c ie ye i n ts t ei fu n e o   er tt n  p e  o me s r  h  o u ,i r v st e p e ii n o   a u i g T i  to   a   l a — t o  fe t l  l v mi ae  h  nl e c   ft   o ai a s e d t  a u e t e tr e mp e     r cso   fme s rn . h s me h d h sar d   h ol q o h e Y a p id t h   e t g s se o   e r o   o d d,a d ma e   h   ni i a e   e u   p l  o te tsi   y t m  f a b x la e e n g n   k s t e a t p td r s h.P a t a   p lc t n s o  h t T e me s r me tr s l o  h s c r c il a p i a i   h ws t a  c o h   a u e n   e u t f t i    me h d i a c r t t o  s c u ae,se d e la l .   t a y,r i b e  Ke   r s:s n o ;p a e—d fee t ee t g c r u t y wo d e sr h s i r n :d tc i   i i n c  

O 引言 
在 测试转矩 转 速… 的场 合 中 ,通常 要将 转矩 和转 速信 号  转换成电信号 进行 测量 。测 量 方案有 :采用 电阻 应变 式传 感  器 ,这种传感器 的工作原理是 :力一 应变一 电阻变化一 电压输  出。它的优点在于体积小 ,但 它的输出信 号是基于电阻的变化  而得到的 ,受温度 、电源电压等环境参 数的影响较大 ,由于它  输 出电压值只有毫伏级 ,使用它必须对其信号进行放大 ,需要  高精度的放大电路。而采用磁电式 、相位差型传感器 ,其工作  原理是 :当输入 、输 出轴 未施加转矩 时 ,传感 器输出 2路 正弦  信 号 ,彼此相差 10 。当施加转矩 时 ,2路正弦信 号彼此相差  8。 会发生变化 ,根据相差 即可计算 出转矩大小 ,根据某路正 弦信  号频率 即可计算 出转速大小 。可 以同时获得转矩 、转速信号且 
工作稳定可靠 。  

线圈 ,在信号线圈 内均装有磁钢 , 与信号齿轮组成磁电信号发  生器 。当信号齿轮 随弹性轴转动 时,由于信号齿轮的齿顶及齿  谷交替周期性 的扫 过磁 钢的底部 ,使气 隙磁导产生周期性 的变  化 ,线圈 内部 的磁 通量 亦产生周期性 变化 ,使线圈 中感生 出近 

图 1 J Z型转矩转 速传感 器工作 原理 图   C  

本 文介绍在 某变速箱加载 测试 系统 中对 J Z型转矩转速传  C 感器输 出信号 的处理方法 。  

1 J Z型转矩转速传感器的基本原理    C
J Z型转矩转速传感器 的基本原理 是 :通 过弹性轴 、两 组  C 磁 电信 号发生器 , 把被测转矩 、 转速转换成具有 相位差 的两 组  交 流电信号 ,这两组交流 电信 号的频率相 同且 与轴 的转速成 正 
比 ,而其相位差 的变化部 分又与被测转矩成 正比。  

j z型转矩转速传感器 的工作 原理如 图 1 示。在弹性轴  c 所 的两端安装有两只信号齿 轮 ,在两齿轮 的上 方各装有一组信 号 

收稿 日期 :0 5—0 20 2—1 9; 修回 日期 :0 5—0 2 。 20 3— 3 

似正弦波的交流电信号 。这两组交流 电信号 的频率相 同且与轴  的转速成 正 比,因此可 以用来测量转速 。这两组交流 电信号 之  间的相位与其安装 的相对位置及 弹性轴所传递转矩 的大小及 方  向有关。 当弹性轴不受扭时 ,两组交流 电信号之 间的相位差 只   与信号线圈及齿轮 的安装相对位 置有 关 ,这一相位 差一般称 为  初始相位差 ,在设计制造时 ,使其相 差半个齿距左右 ,即两组  交流 电信号之 间的初始相 位差在 10 左右 。在 弹性轴受扭 时 , 8。   将产生扭转变形 ,使两 组交流 电信 号之 间的相位 差发生变 化 ,   在弹性变形范 围 内,相 位差 变 化的绝 对值 与转 矩 的大小成 正  比。把这 两组交流 电信号用专用屏蔽 电缆线送 人 P 一10型转  I 0 矩 转速测量仪或通过 具有其 功能 的 P9 0转矩 卡送 人计算机 , I0   即可得到转矩 、转速及功率 的精确值 。  

作者简介 : 明 (9 7一) 男 , 梁毓 17 , 主要 从事 智能仪表 与现场 过程控  制、 嵌入式系统方向的研究 。  

2 输 出信号处理 
工作时 ,JZ型转矩转 速传 感器 输 出 2路 近似 正弦 信号 。 C  

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第 1 期  1

梁毓 明 ,等 :JZ型转矩转速传感器输出信号的处理方法  C
表 1 R— 触发器的真值表    S
S( ) 非  
0   1  

当输入 、输 出轴未施 加转矩 时 ,传感 器输 出 2路 正弦信号 ,彼  此相差 10 ;当施加转矩时 ,2路正弦信号彼此相差会发 生变  8。 化。将变化 的信号送 入单 片机 ,计 算出相位差 ,根据相差 即可  计算 出转矩大 小 ,根据某 路 正 弦信 号频 率 即可计 算 出转速 大  小。信号处理框图如图 2所示。  

R(   非)
1   0  

Q( n+1  )
1   O  

Q ( )( 非 n+1  )
0   1  

1  
0  

1  
0  

Q () n 
不 定 

Q ( )( ) 非 n 
不 定 

2 3 信号处理算法设计  .
图2 相位差测 量电路原理框 图 

相位差测量方法 
变化 而 改 变 。  

通 常采用相 位差 测量转换 为固定时 间 

间隔测量 。该方法存在明显缺陷 :测量精度会随测量信号频率 
2 1 信 号处理电路的设计  .

磁电式 、相位差型转矩 传感器输 出两路 近似正 弦的信 号 ,   由于其幅值小且频率较高 ( 转速一般为 0~  0 rmn ,必须  400/ i) 采用 高精度 、高速 电压 比较器检测其过零点 。电压 比较器采用 

L 39 M 3 芯片 ,内含 4个 高速 比较 器 ,为 避免 输入 信号 抖 动影  响 ,加入正反馈构成滞环 。输入 的正弦信号  及  经零交叉  比较器后 整形 为方波 ,由微分 电路取 出边沿脉 冲加到 R—s触  发器上 ,一路使 R—s 发器 置位 ,另 一路使 R—s触发 器复  触 位 ,故 R—s 触发器输 出的脉 冲宽度即代表 两路信号 的相位差  ( 初始相位角一般为 10 ) 8 。 ,而该 方波 的频 率就 是转 速。将该  信号送入单片机处理 ,可 获得转矩及转速 参数值 。相位差检测 
电路原理如图 3 所示 。  

删 ㈣

肌  

图 5 脉 冲计 数  

在本系统中转矩 、转速大小分别转换成 了方波的高电平 的 

宽度和方波 的频率大小 。当转速变化时 ,在相同脉 冲数下高 电  平和整个脉 冲的宽度计数值也是变化 的。所 以在相 同脉 冲数下  计算转矩大小 ,不同转速时 ,转矩 的测量精度是不 同的。为了  达到等精度测量 的效 果 ,本系统 在相 同计数值 下计算 转矩值 。   P 9 P 92单片 机 的定时/ 8 LC 3 计数 器 2的一个  计 数周期为 65 6 5 3 ,从 一个 周期 内第一个 脉  冲的上升 沿 开始计 数 ,到这 一 周期 内最后 


个脉 冲的下降沿结束计数如 图 5所示 ,这 

样 不管频 率 如何 变化 ,一个 周 期 内高 电平  和整个 脉 冲的计 数 每 次相 差 是 非 常 小 的,   这样就达到 了等精度测量 的 目的。  

由转矩 传感 器 发 出 的两路 正 弦信 号 经 
过相位 差检 测 电路 处理 后 是一 个 方波 ,如 

图 6所示。当转 矩变大时高电平变宽 ,低电 
图 3 相位差信号检测 电路 

平变窄 ,当转矩 变 小 时 高 电平 变 窄 ,低 电  平变 宽。但 转速 不变时 t +t=T不变 。这  。 2 样 只要 检测 到高 电 平宽 度就 可 以求 出转 矩 
的大小 。为了消 除转 速对转矩 检 测的影 响 ,  

m  

/^\

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/ 、\

,  

将转矩 大小转 换成 t .占  的 比例。为 了达  到等精 度测 量 的 目的 ,将 计数 器 一个 计 数 
周期所有 t、T分别 累加 ,最后用 ∑t ∑ 。  和  

ot u 

厂] 厂] 厂] 厂]  厂   ] 厂]一 厂] 厂] 厂] 
厂] 厂] 厂] 厂] 厂一 
图 4 检测电路输出波形 

计算转矩 。所 以检测部分的软件需要 测到  t,T大 小 ,计 算 ∑t, ∑T 。 . 。单 片 机 利 用  I A对输入的方波信号进行检测 。当定时器  C / 计数器 溢 出 时 对 本周 期 内 的数 据 进 行 处  理 ,为 了进 一 步使 测 得 数 准确 ,将 测 得数  进行 了 3 2点平均 滤波 ,为 了使 转速 不滤波 

y  

22 波 形 分 析  .

后的数再进 行以下处 理 ,使 t 占  比例转为 电角度 ,即 ∑t 。 。   3 0 / ,此值就和 现在 的转矩 大小相对应 ,再根据脉 冲频率  6 0 ∑T 计 算出转速。系统就将此值作为测得值进行显示 。   ( b 、节 点 1和 节 点 2 V)  

J Z型转矩转速 传感 器输 出 2路 近似 正 弦信 号  和  , C   经过相位 差信 号 检 测电 路 ,得 到  ( 节点 1 和节点 9 、节点 3和节点 4 ( ) 节点 8和节点 1 )的波  2
形如 图4中 i、 、Y u 的波形 ,节点 4与 节点 1 n  、o t 2的方波经 

过 R— s触发器后 ,输出一方波信号 ,此 信号 中包 含有转矩 和  转速信息。R—s触发器 的真值 表如表 1 所示 。  
图 6 相位差检测电路输 出波形 

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计算机测量与控制 
参考文献 :  

第 1 期  1

[ ]张凤 生,师忠 秀.动态 转矩 测量 技术 的研究 [ ] 1 J .现代计 量测 

出的相位差信号 检测 电路 简单 实用 ,可以在 较宽频  差进行检测 。检测 电路 的输 出方波 包含有 转矩 和  79 P 92单 片机通过测量脉宽计算 出转矩 ,通过  8L C3 擎可得 出转速 。此方法 已应用 于某 变速箱加 载测试  且取得预期效果 。实 际应用表 明,该方法 的测 量结  定、可靠 。  

试 , 19 97,6:1 0—1 . 4 

[]赵珂 .高精度相位差测 试仪 [ ] 2 J.集 成 电路应用 .19 , ( )  97 5:
3 2—3   4.

[]缪 晓 中,杜伟 略.相位 差测量 方法 的研 究与应 用 [ ] 3 J.仪 表技 
术 ,20 04, ( ) 1 2。6 . 3 :6 —6 7 

[ ]张鹏 , 4 徐进 .一种基 于数字分析 的相 位差测量方法 [ ] J .计算机  测量 与控 制 , 0 4 2 ( ) 2 8— 3 . 20 ,1 3 : 2 2 0  

1 ) 页  

字量输入 F G P A,通过检测其 变化 ,在  上位 机显 示表 明 :上位 机 能正 确显 示  其 当前 状 态 ,并 且在 当前 指 标下 ,分  辨率可达 到要求 。   联调结 果证 明了方案 设 计思 想 的  正确 性 。经 过 调 试 ,系 统 运 行 正常 ,   可以完成 飞 机配 电系 统 的地 面实验 所  需 的各项 任 务。 同时 ,该 测控单 元 的   软件 结构 简单 ,模块 化 程度 高 ,便于 
系统 的 调试 、维 护 以及 升级 ,而 开发 

更为简单 与快 速 ,对 于加 速研 制 飞机  配电 系 统 的 工 程 化 样 机 具 有 重 要 的  作用 。  
参考文献 :  

[ ]刘科 满.嵌 入式 操 作系 统 w / S一Ⅱ 1 CO   在飞 机 汇 流 条 控 制 器 中 的应 用研 究  [] J .计 算 机 测 量 与控 制 ,2 0 ,1  05 3
( ):5 5—57  6 3 3.

图5 先进飞机系统仿 真器操作界面 

[ ]何春华 .开 关量 的 实用软 件处 理 方法  2

[] J .计 算 机 测 量 与控 制 ,2 0 , 1 05 3  

r 析与总结 
已完成 实 验室 样机 的制作 与 调试 ,测试结 果 达 到  置 产生 的 1 5 / 0 H 模拟 量经过示 波器等设备  .6 V 4 0 z 到 飞机供 电的性 能指标 ,并能 精确 的模 拟各 种故  L C,B C M P U及 P P完成规定 的试验要求 ;( )数  S 2

( :3 9—40  4) 9 0.

[ ]T  MS2 L 2 0 3 I T 3 0 F4 7,T 30 F 4 6 MS 2 1 4 2 MS2 L 2 0 .T 3 022 0 

D P C n o e s .5 — 4 S  o t lr[ ] 3 5 . rl   [ 4]刘和平 ,严 利 平.T 302 4 X P结构 、原理 及应 用 [   MS2 I2 0 DS M]
北京 :北京航空航天大学出版社 ,20 . 02  [ ]A E  KPor al ol D vc a l D t he S .4 4  5 C X 1  rga bet s   ei Fmi  aaSet[ ] 0— 1 mm c e y

北 京 航 天测 控公 司推 出  

健番莠  等数攮抛 系缱 
航天测控公 司研制成功 了” 信号 关 系等效模拟 系统 ” 。该 系统硬 件部 分支持 V IP IC C 、 X 等 多种总线 , 供 了 X 、C 、 P IP I 提  


A D采样 、 / / D A输 出、 矩阵开关、 计数 器、 信号 源等 多种 功能模 块。软件 由配置软 件和执行 软件 两部分组 成 , 配置软 

: 立与被测 对象相对应的工程 关系, 配置相 关的信 号、 通道 、 激励/ 响应 策略 , 最终生成配置脚本 文件。执行软件 用 于解 


置脚本文件 , 它工作在 全被 动状态 , 实时检测外部激励信号 的变化 , 并根据配置信 息, 出正确 的响应信 号。 输  

统可作 为各种测试 系统 的被测对 象, 配合 测试 系统 完成整 个测试功 能的指标调 试、 自检 , 免 了重复上 电、 时间上  避 长 l 象造成 的损 害。该 系统既可 以模拟被测对 象中各种信 号的正确 激励 一响应 关 系, 对 也可 以人 为制 造故 障信 号 , 为故  统的调试提供故障信息 。还可 以脱 离硬件 系统进行 网络仿真 , 目前 已成功应 用到航天 、 空领域 的多个测试 系统 中。 航   的市场前景。  


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