光栅扭矩，作者喻洪麟，刘旭飞，吴永烽。是针对水轮机主轴扭矩检测系统中的光栅扭矩传感器，设计了一种新型电路。采用ispPAC10 芯片，通过器件编程的方式，实现对模拟信号的放大、整形和滤波，避免了传统模拟电路调试的麻烦。利用CPLD 工作频率高的特点，进行高精度细分，结合MCU 系统，完成对数据的处理。实验证明，以这种新型电路对扭转角位移进行测量时，精度高达0.001º/m，实现了扭矩的实时、高精度测量。

英文概述

1 引 言

2 滤波电路设计

3 整形电路设计

英文概述

A new circuit used for the grating torque sensor of hydraulic turbine’s principal axis system is designed. The output analog signal of the grating torque sensor is magnified, shaped and filtered by ispPAC10 on the basis of component program, which gets rid of traditional circuit’s complex debugging. An interpolation algorithm fully making use of the characteristic of CPLD high frequency is designed and the output data is managed with MCU. Experiments prove that the precision of torsion displacement reaches 0.001º/m. Consequently high precision detection of torque is implemented in real time.

1 引 言

采用光栅扭矩测量法测量扭矩，根据设计出的光栅扭矩传感器，设计了光栅扭矩传感器的信号放大整形、滤波、信号处理和接口电路。该系统利用圆光栅莫尔条纹的放大微小变化的特点进行扭矩测量[1]。设计的电路利用在系统可编程(ISP) 模拟器件ispPAC10 完善的模拟器件功能，以及复杂可编程逻辑器件(CPLD) EPM7128S-7 工作频率高的特性，对两路输出具有一定相位差的信号进行信号处理，精确细分，识别被测轴的旋转方向，从而实现水轮机主轴系统扭矩的高精度测量。

2 滤波电路设计

滤波器是电路与系统中常用的基本电路之一，但通常滤波器的实际设计调试比较麻烦，特别是电阻、电容的选配比较繁琐。使用在系统可编程模拟器件设计滤波器就显得比较简单。ispPAC10 中就有100 多种库含电容供用户选择，内部电阻可实现反馈功能。在该设计中，由于水轮机的转速为0~1500 转/min[4]，则输入的信号频率为0~18kHz。设计一个低通滤波器滤除高频干扰。调用PAC-designer 设计软件的ispPAC10 库函数ispPAC10 Biquad Filter 双二阶滤波器，设置其电容和放大倍数，其中C1=49.04pF，C2=5.92pF，这是其中一路信号的放大滤波电路，如图2 所示。输出取Out2，从而实现低通滤波。根据开发软件的模拟器观察其幅频和相频特性均满足要求，可以滤除20kHz 以上的杂质信号。

3 整形电路设计

在ispPAC10 中只需要一个放大器就可以实现比较器的功能。信号从IN 1 和IN 2 加入，设置IA 1 的G 为1，IA2 的G 为-1，输入信号分别乘以1 和 -1，再求和。求和放大器OA 1 近似工作在开环状态，有很高的增益，导致输出根据输入电压的比较，在正负之间摆动，如图3 所示。对于光电转化并经过放大了的正弦波信号，应用该比较器将正弦波转化成方波，该比较器是低功耗、低失调电压比较器，失调电压最小可达100μV。在理想状态下，光电转换输出的正弦波，经过比较器的阈值电压比较之后则整形后输出方波。若光电三极管出来的信号是两路正弦波，为了比较出这两路信号的精确的相位差，我们首先把正弦信号变成方波，然后使用CPLD 细分，由于CPLD 工作频率相当高，我们可以很方便地计算出其精确的相位差。