基于单片机的小型测功机装置的设计与应用

　　测功机是用于测量各种动力机械转速、转矩和功率的测试设备，它不仅对产品质量分析、质量检验、新产品鉴定及生产过程的自动控制等极为重要，而且对研究电机的动态过程以求取最佳运行状态也有重要的意义。随着生产水平的提高、科学技术的发展，测功机已成为科研部门和动力机械生产厂必备的测试设备。

　　本文设计的测功机，采用了单片机处理数据，不但测量准确，而且使转矩转速测量更容易实现自动化。

　　1 测功机装置的试制

　　1.12 原理分析

　　当被测电机旋转带动测功机的转子旋转时，若给测功机加入直流励磁电压，则测功机中有磁场存在，此时测功机转子旋转且切割磁力线产生电枢电流，电枢电流和磁通相互作用产生制动转矩，同时测功机定子受到一个相反方向的转矩作用，便在测功机传感器轴上产生压应力，在正常工作范围内，压应力与传感器轴所承受的转矩成正比。如果在传感器轴产生最大压应力方向上粘贴电阻应变片，则应变处的电阻值就随着压应力的大小而变化。由应变片组成的桥式电路如图1所示，给应变片电桥加上基准电源V₁，则通过测量电桥的输出电压V₂值就能得出压应力的变化，从而即能测量出转矩的大小。

　　为寻找应变片电桥输出电压值与所测转矩大小的关系，需要用标准砝码进行校验。即当测功机定子受到转矩作用后便旋转且在传感器轴上产生压应力时，测量出此时应变片电桥的输出电压值;再利用杠杆装置，给测功机定子施加砝码，当测功机定子不再回转时，砝码施加的平衡转矩即与测功机中转矩相等;在工作范围内测取足够数据，便可拟合出正常工作时应变片电桥输出电压值与所测转矩之间关系。

　　1.2 测功机传感器电路设计

　　4个电阻应变片粘贴在与轴线成45o角的方向上，组成全桥回路，这种接法可消除轴向力及弯曲力的影响。应变片电桥做好后，转矩信号转换成电信号，就可以利用单片机系统对信号进行采集、处理与显示。但是应变片电桥输出的电压信号太弱，首先要经过放大电路放大为0—5V的直流电压信号。为了使下一级电路具有较好的性能，放大后要接上一级电压跟随器，然后接上调零电路。这时的信号还会因测功机定子转向不同而有正有负，必须接上一级绝对值放大电路，再由0809转换为数字量，最后经光耦隔离后送到8031单片机对所采集信号进行储存、处理，再送到外围显示电路经LED实现测试数据的自动显示。如图2所示。

　　1.3测功机标定及误差分析

　　测功机运行前须进行转矩标定和调零，以消除线性误差和零度误差。对采集数据的处理是保证测试有效和测试精度的主要手段。用标准祛码校验转矩所得到的数据，运用MATLAB软件，用函数polyfit对数据进行定阶数的多项式拟合。调用方式为:p = polyfit(x.y.n)，用最小二乘法对输入的数据x和y用n次多项式进行逼近。其中y为转矩，单位为N.m;x为经一级放大后传感器输出电压，单位为V;r:为多项式的阶数，取n= 1。拟合出的测功机传感器输出电压与测功机传感器轴所受转矩的关系为:y=0.491x+b。式中常数h随测功机定子旋转方向不同而不同，它完全可由转矩调零电路进行补偿。从拟合结果可知，传感器非线性度小于0. 8 %，可见测功机经标定后保证了测量的准确性。