用PLC、变频器测电机轴扭矩（请教）

zqs6868

我遇到一个问题：在一个测试设备中，要用PLC和变频器来动态检测电机轴（有负荷）的扭矩，然后通过无线传输将测得的数据传送到中控计算机。怎么实现？有人告诉我说是用PLC换算出来的，就不知道怎么个换算法？全过程是怎样的？

zqs6868

各位大侠：
谁给教一下呀？
以前记得这个版块很多高手的呀！

syw开门造车

学胜 网友好！

我也没做过，但我认为得从 “扭矩传感器”原理及应用入手。帮你找一些资料。

syw  070318---20.37

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扭矩传感器介绍
http://www.ortkj.com/cpdq.asp?SmallClassId=1


扭矩传感器
一 前言
　　在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一）

　　扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。
将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。 (见图二)但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。


图一 扭转角相位差式扭矩传感器示意图

由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。


图二 基本的扭矩传感器


旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。 (见图四)遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。
二 特点
　　1. 既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩;
　　2..既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；

　　3. 检测精度高，稳定性好；抗干扰性强;

　　4. 体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；
　　5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩;
　　6.没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行；
　　7．传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理；
　　8．测量弹性体强度大可承受100%的过载。
三 测量原理
将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥 ,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分)




图五 数字式扭矩传感器测量原理图

四 传感器原理结构 （见图五）
在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着： (1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着



(1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路
五 工作过程
向传感器提供 ± 15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到 ± ５ V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生 ± 4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v ± 1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。
本传感器输出的频率信号在零点时为 10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达 ± 0.2%～ ± 0.5%（F · S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。
六 应用范围
　　1. 检测发电机，电动机 ，内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。
　　2. 检测减速机，风机，泵，搅拌机，卷扬机，螺旋桨，钻探机械等设备的负载扭矩及输入功率。
　　3. 检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩4. 各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率；
　　5. 检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。
　　6. 可用于制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手。
七 安装使用
　　1.使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间。


图六

　　2.建议用挠性、弹性或万向节联轴器，以保证同心度 ∠ 0.1mm以下。
　　3.动力及负载设备必须固定可靠避免振动。
　　4.将本传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高须垫合适避免产生弯矩 。
八 多种安装方式
本传感器经过五年的批量试产，广泛受到用户的好评。本传感器属贯通形安装方法，一般需要通过联轴器安装，为了便于在特殊要求的条件下使用，本传感器还有七种变形结构：
　　1.如果要求传动系统的轴向不因安装了传感器而加长，则可使用智能联轴器--既可以检测扭矩，又可以承担联轴器的功能。也就是一种带检测功能的联轴器。
　　2.被测传动系统不允许加长但可以拆卸时，则可以使用套装式扭矩传感器--套在被测轴上即可测试。
　　3.被测传动系统既不允许加长又不可以拆卸时，则可以使用在现场组装的卡装式扭矩传感器。从轴的两侧卡在轴上即可进行测试。即可长期监测也可短期检测。与电流钳形表相似。
　　4．有的测试系统既有扭力又有轴向力时则可以使用转矩转速轴向力三参数传感器；既可以避免轴向力对扭力测试的干扰又可以测量轴向力的信号；
　　5．在高转速或超高转速下测试时可以使用无轴承式转矩转速传感器；
　　6．如果被测系统为不旋转状态时可以使用扭矩传感变送器；
　　7．如果被测系统最大值在5mN · m至1N · m时可以使用小量程转矩转速传感器
这几种传感器的结构及使用方法将陆续介绍。
九 智能转矩转速测量仪
为了更方便的使用本系列扭矩传感器特配合设计了智能转矩转速测量仪与计算机虚拟仪器，该两种仪器可以直接显示出正在测量的转矩，转速，功率值的数值及曲线，也可以设定转矩的限定值，超值报警，还可以保存本次测量的转矩峰值及曲线，并且可以打印出上述各参数及曲线图。
十 参考文献
1.刘宗杰等：单片机8031构成的智能转速转矩测量仪
2.翁桂荣等：微型遥测扭矩仪
3.葛德震：V/F转换器LM131的应用
4.张有颐：转矩测量技术

zqs6868

开门造车大侠：
有些日子没见你了！
谢谢你帮我找的资料！
我们先做的方案就是用扭矩传感器。被业主否了。因为他们并不要求测量精度高，只要达到3%就行了。用扭矩传感器牵涉到联轴器的安装位置问题，有点干涉。虽可以解决，但有点小题大作。
现在这个方案，也是很成熟的，只是我不懂而已。必威体育网址肯定是有人懂的。好象就是用变频器或PLC（不知是哪一个？）监测电机的电流，用PLC将电机电流的变化值转换成扭矩数据（？）就可以了。
现在正忙吧？祝你工作愉快！

syw开门造车

学胜 网友好！

如果我来做的话，我会加上一个转速传感器（光码盘）。
测量时，我先用变频器将电机调到一特定的转速值，然后，测此时的电流。电流大则扭矩。
PLC的作用就是用自动的方式，将电机调到这一特定的转速值而设。

syw  070318---22.24

zqs6868

开门造车大侠：
是我没一次把问题说清楚，以后一定改正。
整个的工艺过程要求是这样的：
电机轴通过联轴器带着工件输入轴：（电机功率5.5KW）
1、顺时针从0～700r/min 加速运行，运行时间0.1min
2、顺时针方向保持700r/min 转速，匀速运行1.5min
3、顺时针从700r/min减速运行到0，然后逆时针从0～700r/min 加速运行，运行时间0.2min
4、逆时针方向保持700r/min转速，匀速运行1.5min
5、逆时针从700r/min减速运行到0，然后顺时针从0～1400r/min加速运行，运行时间0.3min
6、顺时针方向保持1400r/min转速 ,匀速运行1.5min
7、顺时针从1400r/min减速运行到0，然后逆时针从0～1400r/min 加速运行，运行时间0.4min
8、逆时针方向保持1400r/min转速，匀速运行1.5min
9、逆时针从1400r/min减速运行到0，运行时间0.2min
这个过程是通过交流变频电机、交流变频器、PLC来实现的。而且整个测试过程中工件、测试系统都是运动的，并不是固定在一个不变的位置。
在此过程中观察并记录驱动电动机输出扭矩变化情况,并用无线传输的方式将数据发送给主控计算机。
测试扭矩主要是用来检验工件在前面的装配过程中是不是有不良装配，通过扭矩变化主控计算机可以得出结论，并用无线传输的方式通知PLC是继续执行程序指令还是中止。

syw开门造车

学胜 网友好！

万变不离原理，我们从你在6楼发言中，上数第4行入手：
“……电机轴通过联轴器带着工件输入轴：（电机功率5.5KW） ……。”

假如，用“两台相同型号”的电机通过联轴器，分别带动A、B两台不同长度的皮带输送机，
A机长10米，B机长50米，当将两台机器调到“相同速度”时，分别测“各自电机的电流”，
很显然，两台电机的电流是不一样的！
为什么速度相同，而两台电机的电流不同？因为，扭矩不同！
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再比如，我们专测50米长的皮带机（也就是B机），第一次空载，并将其调到700r/min ，
测此时的电流，并记录在案。

第二次在这个皮带机上，加载100公斤的重物，同样将其调到700r/min ，测此时的电流，
并记录在案。

很显然，两次记录的电流是不一样的！
为什么速度相同，而两次记录的电流不同？因为，扭矩不同！
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那么，
用什么检测速度？。         用：------转速传感器（光码盘）。
用什么调速？。             用：------变频器。
用什么进行自动控制？。     用：------PLC。
用什么进行数据传输？。     用：------无线传输

syw  070319---05.05

随风而去

如果用开门大侠的方案是可行的！基本配置如下
PLC+扭矩传感器+A/D转换模块
这样的结构就是我们听着相当多的“转换过来的”
其实，在我们工控里，这“转换过来的”含义是相当丰富的！
像LZ这样的情况，BOSS们是不会希望有A/D转换模块这样东西的，因为它无形中增加了成本！

呵呵
所以啊，他需要有这个功能，而不希望有任何增加成本的元件！

说到这里，我们几乎可以否定用A/D转换模块和增加一个扭矩传感器这条路了。

我们再看看学胜补充的说明（第6楼）
我们可以很清楚的看到这样的一个常见方案
PLC+变频->来现实变频器拖动电动机的方案，PLC在这里只是起控制作用
PLC+上位机->来实现一个静态显示的过程（所谓的人机方案了，这才是我们处理的关键点！）
现在需要解决的问题
观察并记录驱动电动机输出扭矩变化情况

建议如下处理
1。先查看相关电动机的输出扭矩图
2。根据输出扭矩图来人为的设置显示输出情况及输出此情况的条件（这里面随便你安排了）
3。插入到相关程序里
4。用模拟软件简调看其效果
5。上机联动观其最终效果
6。局部整调
7。重复步骤5，直至完整功能

呵呵~~~
我们不能做到百分百精确的话，我们就构成一个我们认为精确的功能！
BOSS们要的只是结果，而不是这里面的过程，所以你就给他他想要的结果：）

zqs6868

精彩！太精彩了！
这就是我们的必威体育网址！
由衷感谢开门造车和随风而去两位大侠！
顺便问开门造车大侠一句：
每天都起这么早吗？
革命的本钱可要保护好呀！

syw开门造车

学胜 网友好！
近一段时间，因忙一批定货（自主知识产权），没能天天上网，你在9楼的帖刚看到。
回帖太迟，见谅。
我不坐班，所以没有起早、摊晚之说。睏了可以随时睡觉，饿了可以随时吃饭。
冷了可以足不出户，热了就带着思考问题泡在游泳池里……。
关心国家大事，但却远离政治，与世无争，也与人无争，既不想给领导敬礼，也不想领导别人，
每天除了睡觉，其它时间基本处于享受在理工科方面的“工作”当中。
没有应酬，所以很少喝酒，既便组织聚会，也只干第一杯，从不拼酒。
不抽烟，不打麻将，不炒股，不买彩票……
一天一两肉，一个鸡蛋，一斤多菜，外加主食……
因为上述原因，所以，革命本钱保养的非常好！心、脑血管方面各项指标都很好。
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你的博客看了，写的非常好。还想知道你的更详细的情况，特别是知识结构方面……。
愿意的话，最好能发信给我。

谢谢你的关心！

syw  070321---20.45