基于FPGA和单片机的光栅转矩传感器的研究

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摘要
转矩的测量对各种机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全和优化控制等工 作有重要的意义。现有的转矩传感器一般结构复杂,制造安装困难。本文介绍了一种结构 简单,测量精度高的新型转矩传感器——基于FPGA和单片机的光栅转矩传感器。
本文主要工作包括:
1、介绍了当前转矩传感器的发展现状,分析了各种类型转矩传感器的特点和存在的不足。
2、介绍了光栅转矩传感器的工作原理,将光栅输出的光电信号转换成矩形波信号,通 过分析旋转轴的各种运动对光电输出信号的影响,得知两路矩形波信号的相位与扭转角的
5 H  Z. v  H3 D6 Q5 F, |关系,从而得到系统测量方案,并推导出具体的测量计算公式。3、构建了系统实验平台,主要由被测量主轴、光栅对机构、光电装置座三个部分构成。
4、基于现场可编程门阵列(FPGA)和单片机,完成系统硬件电路及软件设计。
5、根据动态测量数据的时变性、随机性、相关性和动态性等,研究了动态测量数据的处理方法。
( |( D* F0 z$ y$ _! K3 ^6、对系统调试和实验。采取先对各个单元模块独立调试与实验的方法,对每个单元 电路的性能进行分析处理,然后进行联合调试与实验,并对传感器进行标定。
7、对系统误差进行分析,并提出了改进措施。
1 {& C& v, v' F- W关键词:光栅转矩传感器,相位差,FPGA,单片机
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第1章绪论
  C7 C, j3 F) X  G- y2 k4 [1 u随着现代科学技术的迅猛发展,人类社会已经进入信息时代。而在信息时代中,人们 的社会活动将主要依靠对信息资源的开发、获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测 控系统的接口位置,是对各种信息进行感知、获取与检测的窗口,一切科学研究和生产过 程要获取的信息,都要通过它转换为容易传输与处理的信号。因此,传感器的地位与作用
特别重要。在现代工业生产尤其自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过 程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到好的质量。因此可以
说,没有众多优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。随着电子计算机、生产自动化、现代信息、交通、冶金、能源、宇航等科学技术的发 展和各行各业生产发展的需要,转矩测量技术得到了人们的高度重视恧成为测试领域发展 较快的学科。现在,转矩测量技术已在电机、汽车、船舶运输、交通、柴油机、化工机械、 石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。特别是近几年,随着转矩传感器的发展和微型计 算机在这方面的应用,使转矩测量技术上升到了一个新的高度。最大转矩、转速是机械设 备设计、开发研究、质量检查、优化控制的重要参数,它关系到机械设备的机械性能寿命 和生产安全,是否能准确地、实时地测出转动轴的转矩,对于及时发现传动系统中存在的故障隐患和对设计的改进具有非常重要的意义。

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