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　　轉動慣量是質量特性參數測量的重要部分，在多個領域從產品的設計、生產和控制系統中都起著舉足輕重的作用，直接關系到產品設計成敗和產品的質量。從航空工業對飛機轉動慣量的測量到汽車工業對轉動部件慣量的測量，無不體現著其測量的重要性。本文以實驗室某回轉機械傳動系統為研究模型，采用單片機作為核心控制器件，重點研究了轉動慣量測量過程的硬件和軟件設計。

　　1 被測系統結構簡介

　　研究的回轉機械傳動系統結構如圖1所示。

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　　試驗設備清單如下所述：

　　變頻器一臺：輸入規格為AC 3PH 380～460 V，50/60 Hz;輸出規格為AC0～240 V 1.7 kVA 4.5 A;

　　變頻范圍：2～200 Hz。

　　三相異步電機：額定功率為0.55 kW;額定轉矩為3.5 N·m;同步轉速為1 500 r/min;輸入電壓為380 V。

　　轉矩傳感器：額定轉矩為10 N·m;

　　轉速傳感器：轉速范圍為0～6 000 r/min;

　　轉矩轉速測試卡：轉矩測試精度為±0.2%FS;轉速測試精度為±0.1%。

　　2 硬件設計

　　2.1 整體硬件結構圖

　　硬件電路設計是該測量系統的核心部分，它不僅負責傳感器信號的采集、處理、傳輸等任務，而且負責接收上位機的控制命令，并將采集到的數據傳送給上位機，從而使整個系統可靠、有序的工作。整個電路主要由傳感器信號采集電路、單片機控制電路、繼電器控制電路、通信接口電路及電源模塊組成。整體硬件電路設計框圖如圖2所示。

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　　2.2 信號輸入/輸出電路

　　2.2.1 模擬量輸出調理電路

　　硬件電路中只有控制轉矩輸出為模擬量輸出信號，由于ADuC812的D/A口輸出的電壓值為0～2.5 V，而變頻器接收的電壓值是0～10 V，所以需要經過運算放大器放大，在接人運算放大器之前，先要接由運放組成的DAC輸出緩沖器，緩沖器連接成跟隨器的形式，保證了輸出放大器的通帶和負載能力。電路連接如圖3所示。

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　　2.2.2 扭矩傳感器信號采集電路

　　扭矩傳感器的輸出信號為1～5 V，如果直接傳輸至單片機，則可能會由于傳輸距離過長及試驗中的電磁干擾影響到反饋信號的精度。所以為了增強抗干擾性，提高傳輸精度，采用4～20 mA的電流傳輸。它的傳輸電路如圖4所示。

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　　傳輸電路中將扭矩傳感器傳輸過來的4～20 mA電流信號通過Rio還原為0～2.5 V的電壓信號，以供單片機采樣之用。轉換后的電壓信號還不能直接接入單片機的ADC口，需要先接入由運放組成的緩沖器。為了實現阻抗匹配和濾除高頻干擾，運放的輸出串接有51Ω電阻和0.01μF電容組成的低通濾波網絡。

　　2.3 繼電器控制電路

　　在實際工作中，電機可能有正轉、反轉等多種工作狀態，電機的轉動狀況需要通過測量電路實現。由于電機是強電設備，功率較大，這要求測量系統必須具有將輸出的低電壓、小電流信號轉換成為高電壓、大電流信號的裝置。在此選用電磁繼電器就能很好的滿足上述要求，電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。電磁繼電器的驅動電流一般很小，但它能帶負載的電流卻很大，只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中導通、切斷的目的。

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　　繼電器控制電路如圖5所示。電磁繼電器能夠很好的把測量電路和電機隔離開來，不過繼電器在開關動作時，內部會產生很高的感應電動勢，因此它的回路要反接二極管來提供泄流回路來泄放關斷時線圈中的剩余電流，以保護三極管不被反電勢擊穿。

　　3 軟件設計

　　轉動慣量測量系統是一種硬件與軟件相結合的技術，軟件是控制系統的工具，為了增加軟件的可讀性，清楚的表達設計思路，應盡量使程序模塊化。軟件部分主要包括角度檢測子程序、轉矩控制檢測子程序、系統通信發送子程序、PC機接收通信子程序、延時子程序、LCD驅動程序、A/D轉換程序和數據處理和電磁閥控制程序等。軟件流程圖如圖6所示。

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　　4 結語

　　本文設計的轉動慣量測量系統以單片機為核心，并充分結合其他外圍芯片器件的功能，可以實現回轉機械傳動系統轉動慣量的自動檢測，有很好的可行性和較強的實用性。