一种转轴角加速度测量系统的设计

邵帅

（天津机电职业技术学院，天津300350）

一种转轴角加速度测量系统的设计

邵帅

（天津机电职业技术学院，天津300350）

角加速度是轴在转动过程中的一项重要参数，对于监测转轴的受力情况有着重要的意义。简单介绍了一种转轴角加速度的测量方法，详细介绍了一种转轴角加速度测量系统的设计方案，并对测量系统中的主要模块进行了详细阐述，通过STM32芯片予以了实现。

角加速度；测量系统；STM32

转动作为机械传动的重要方式之一，对其动力的监测与控制直接关系到整个传动系统的稳定性，而角加速度则是动力监测与控制系统中一项重要参数，其对于监测转轴的受力情况有着重要的意义。随着工业技术的不断发展，在汽车、军事、机加工等领域中，对转轴角加速度进行测量与分析的要求越来越高，因此，一个稳定可靠、实时性强的角加速度测量系统对于工业生产来说十分重要［1］。本文给出了一种可以对转轴角加速度进行实时测量的系统设计方案，并对该系统的核心模块进行了详细的论述。

1　转轴角加速度的测量方法

转轴角加速度的测量方法主要有两种，直接测量法与间接测量法［2］。直接测量法是通过力传感器检测转轴的受力情况，从而得出转轴的角加速度值，这种方法直接体现了转轴角加速度的变化情况，实时性较好，但对传感器要求较高，且易受温度影响；间接测量法是通过光电或磁电传感器检测出轴转动的角速度，通过微分运算计算出转轴的角加速度，这种方法的优点是对传感器要求较低、成本低廉、易于实现，虽然其有实时性较差的缺点，但可以通过结构与算法的优化大幅提高实时精度［3，4］。

使用间接测量法测量转轴角加速度可以建立相应的数学模型［5］：

式中，

Ti为传感器相邻两次的响应时间；

Ti+1为下一时刻传感器相邻两次的响应时间；

θi与θi+1分别为Ti与Ti+1时间段内促使传感器产生两次响应所对应的机构夹角，如果通过机构调整使θi与θi+1相等，则有θi+θi+1=θ，那么转轴角加速度可以替换为：

式（2）中角加速度为转轴转过2角度的平均角加速度，但实际运动过程中，转轴未必是匀加速或匀减速转动，因此需要通过机构优化使θ尽量减小，近似达到微分的效果，这样计算出的角加速度β可以近似看作即时角加速度，以提高系统的实时性。

2　转轴角加速度测量系统的设计

根据上述数学模型，转轴角加速度测量系统的设计如图1所示。

图1　转轴角加速度测量系统框图

外部作用力作用在转轴上，驱动转轴与检测机构转动，转动情况由信号采集模块进行采集和逻辑分析，转轴反向转动时，信号采集模块不输出信号，转轴正向转动时，其输出信号T为一路变频脉冲信号，该信号经过信号处理模块，按照数学模型参与计算，最终由信号处理模块输出OUT信号，OUT信号即为转轴转动的角加速度信号。

2.1转轴转动情况检测机构的设计

转轴转动情况检测机构的结构如图2所示。

图2　转轴转动情况检测机构图

轴在外力作用下产生转动，随之带动嵌入内套的磁条转动，由霍尔传感器检测磁场的变化频率，通过逻辑电路对磁场变化的频率进行分析，输出可参与后续计算的信号。如果需要提高系统的实时性，需要在内套上均匀嵌入更多的磁条，也可改装为齿部充磁的齿轮来实现磁场的细分，但要注意磁条的密度不能超过霍尔传感器的感应范围。

2.2信号采集模块的设计

信号采集模块与转轴转动情况检测机构配合使用，用来检测转轴转动情况，同时进行逻辑分析并输出一路脉冲信号T，参与后续计算［6］。其电路如图3所示。

图3　信号采集模块电路示意图

图3中，H1、H2为霍尔传感器，触发器芯片采用型号为TC7WH74FU的D触发器，门电路芯片采用型号为MC74VHC1G08DFT1G的与门。转轴转动过程中，转轴转动情况检测机构随之转动，两个并排设置的霍尔传感器感应到磁场的变化后会产生两路有相位差的脉冲信号，这两路脉冲信号经过触发器与门电路的逻辑处理后，变为一路脉冲信号，此信号在轴正向转动时，时序与霍尔传感器输出信号相同，在轴反向转动时为一低电平信号。

2.3信号处理模块的设计

信号处理模块框图如图4所示。

图4　信号处理模块框图

信号处理模块的中央处理单元采用Cortex-M3系列型号为STM32F103RC的处理芯片，该芯片是一款128k flash的低功耗、高性能的32位微处理芯片，完全可以满足对角加速度数学模型的计算。由信号采集模块生成的T信号经过滤波电路滤掉杂波后，输入中央处理单元，经过计算后，生成一路数字信号，分别经过串口通信单元传输给上位机和经过信号输出单元输出OUT信号，OUT信号经过信号反馈单元继续传输给中央处理单元进行比对计算和状态分析，确定是加速或减速运动，最终形成一个闭环反馈回路。经此信号处理模块生成的OUT信号即为转轴转动的角加速度信号，此信号精度较高，实时性较强。

3　结束语

本系统采用间接测量法设计，实现成本较低，感应部件采用磁电式传感元件，抗干扰能力较强。对于系统的实时性问题，在转轴转动情况检测机构中使用磁性齿盘结构可以很好的解决。因此，以此方法设计的转轴角加速度测量系统具有成本低廉，稳定性较好，实时性较强的特点。

［1］邵雷，赵锦，赵宗宝，等．一种基于非线性跟踪－微分器的角加速度估计方法［J］．飞行力学，2012，30（4）:341-342.

［2］周逸君，徐丽娇，吉小军.基于FPGA脉冲计数的瞬时角加速度测量系统［J］.中国机械工 程，2015，26（18）：2442-2447.

［3］张宇，闵子建，陈庆勇，等．磁旋转编码器在汽车测速系统中的应用［J］．仪表技术与传感器，2008，（9）:76-77.

［4］王立锦，刘亚东，焦让，等．磁旋转编码器四倍频电路分析与集成化设计［J］．电子器件，2005，28（2）:358-359.

［5］任云鹏，胡天友，刘鑫．一种高精度转轴角加速度的测量方法［J］．现代电子技术，2005，28（17）:50-51.

［6］邵帅.基于逻辑电路的转速检测系统的设计［J］.电子技术与软件工程，2016，（1）：124-125.

Design of Angular Acceleration Measurement System

SHAO Shuai
（Tianjin Mechanical and Electrical Professional Technology Institute，Tianjin 300350，China）

In this paper，the angular acceleration measurement system that can monitor the rotation of axle is mentioned.A measurement way of angular acceleration is introduced.A design way of angular acceleration measurement system is discussed in detail.The system is achieved by STM32.

angular acceleration；measurement system；STM32

TH824

A

1672-545X（2016）07-0182-03

2016-04-26

邵帅（1980-），男，天津人，讲师，硕士，主要研究方向：应用电子技术、机电一体化技术。