[發明專利]一種轉軸動靜態扭矩測量系統及方法

有效

• 申請號: 202110567432.0
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113008429B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 馮延暉;黃光遠;邱穎寧
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01L3/10
• 分類號: G01L3/10
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 封睿

1.一種轉軸動靜態扭矩測量系統，其特征在于，包括：磁柵a、磁柵b、磁讀頭a、磁讀頭b、信號采集單元、扭矩計算單元，其中磁柵a環繞轉軸一端表面同軸安裝，產生接縫a；所述磁柵b環繞轉軸另一端表面同軸安裝，產生接縫b；所述磁讀頭a、b分別安裝在磁柵條a、b上方，有效感應面朝向磁柵，并且使其敏感元件的敏感方向分別與磁柵條圓環a、b相切或垂直；

所述磁柵a、b在隨轉軸旋轉時在磁讀頭a、b安裝位置處產生類正弦的磁場強度變化曲線，所述磁讀頭a、b感應該磁場變化并向后端信號采集單元傳輸類正弦電壓信號；其中磁讀頭a產生兩路相互正交的類正弦電壓信號sina、cosa，磁讀頭b產生兩路相互正交的類正弦信號sinb、cosb；

所述信號采集單元用于對四路信號同時進行電壓幅值采集并傳輸至后端扭矩計算單元；所述扭矩計算單元用于對電壓幅值信號進行反正弦運算以獲知磁柵a、b的實時相位變化，從而得出當前轉軸扭矩；

所述磁讀頭a、b與磁柵a、b之間的安裝氣隙距離大小范圍由特定規則確定，所述規則中，安裝氣隙距離上限由磁讀頭敏感元件的極限感應距離決定，安裝氣隙距離下限由磁柵柵距與系統要求的測量精度共同決定，下限確定步驟如下：

步驟1：確定測量誤差可以接受的信號THD值含量；

步驟2：根據THD值含量確定磁讀頭安裝氣隙距離與磁柵柵距的比值ε；

步驟3：查閱資料或測量得到磁柵柵距值τ，從而計算安裝氣隙下限min=ε×τ。

2.根據權利要求1所述的轉軸動靜態扭矩測量系統，其特征在于，所述磁柵a、b的種類包括柔性磁柵條、磁瓦、磁環這些N極、S極間隔分布的永磁體鍵相器。

3.根據權利要求1所述的轉軸動靜態扭矩測量系統，其特征在于，所述磁讀頭a、b的種類包括磁通門傳感器、霍爾傳感器、磁電阻傳感器這些磁傳感器。

4.一種轉軸動靜態扭矩測量系統的轉軸扭矩測量方法，其特征在于，基于權利要求1-3任一項所述的轉軸動靜態扭矩測量系統的轉軸扭矩測量方法，實現轉軸運動狀態下的扭矩測量或者轉軸靜止狀態下的扭矩測量，步驟如下：

步驟1：轉軸旋轉前記錄磁柵a、b的初始相位φ_a、φ_b；

步驟2：轉軸旋轉時記錄磁柵a、b的實時相位φ'_a、φ'_b，同時對sina、sinb的過零點次數n_a和n_b進行計數；

步驟3：計算磁柵a、b的實時相位變化θ_a=φ'_a+n_aπ-φ_a，θ_b=φ'_b+n_bπ-φ_b；

步驟4：將實時相位變化帶入扭矩計算公式，即得到轉軸當前扭矩大小。

5.根據權利要求4所述的轉軸動靜態扭矩測量系統的轉軸扭矩測量方法，其特征在于，步驟1和2中，獲取相位的步驟如下：

根據表1中磁讀頭輸出信號正負狀態與磁柵所在象限和相位的關系，結合磁讀頭a產生兩路相互正交的類正弦電壓信號sina、cosa的正負狀態，確定磁柵a的所在象限與相位，進而，結合磁讀頭b產生兩路相互正交的類正弦信號sinb、cosb的正負狀態，確定磁柵b的所在象限和相位；

表1磁讀頭輸出信號正負狀態與磁柵所在象限和相位的關系表

表中，u為信號采集單元采集的磁讀頭輸出信號電壓幅值，max為磁讀頭輸出信號電壓峰值。

6.根據權利要求4所述的轉軸動靜態扭矩測量系統的轉軸扭矩測量方法，其特征在于，步驟4中，扭矩計算公式為：

式中，T為轉軸當前扭矩，G為轉軸剪切模量，I_P為轉軸極慣性矩，L為磁柵a與磁柵b之間的距離，N_a為磁柵a的總磁柵柵數，N_b為磁柵b的總磁柵柵數。