一种交流采样的定扭矩扳手控制装置及扳手的制作方法

[0001]
本实用新型涉及扳手控制技术领域，特别涉及一种交流采样的定扭矩扳手控制装置及扳手。


背景技术：

[0002]
本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
[0003]
对于现代桥梁等钢结构施工，一般使用高强度螺栓组来连接不同的钢结构，通过对高强度螺栓的扭紧，使高强螺栓轴内很大的拧紧预拉力，轴力乘以连接板间的摩擦系数，产生巨大的摩擦力把钢结构连接在一起。在施工过程中，螺栓的紧固大多使用电动定扭矩扳手，通过对扭矩的精确控制使螺栓产生精确地预拉力。电动定扭矩扳手一般由串激式交流电机、机械减速部分、和电流型扭矩控制器构成。根据串激电机的扭矩和电流的近似线性关系，通过控制电流的方式达到扭矩控制的目的。这就是电流控制型电动定扭矩扳手的基本原理。电流控制的精确程度，决定了扭矩的精确度，对电流控制精度进行提升将提高扳手的扭矩精度，和稳定性。
[0004]
目前传统的定扭矩扳手一般采取直流采样技术完成对电压电流信号的采样，具体实现方案是：将电流电压的交流模拟量(电压、电流等)经过传感器进行隔离和降低幅值后，先进行整流和滤波转换成相应的模拟直流电压信号，然后再由模拟/数字转换器(a/d)转换成相应的数字量。这种经过整流滤波方式的采集电量的方式称为“直流采样”具有以下特点：直流采样对a/d转换器的转换速率要求不高；直流采样程序简单，采样后只需乘以相应的标度系数便可得到电压电流的有效值或功率值；直流采样的变送器经过了整流、滤波等环节，抗干扰能力较强。
[0005]
但是，本实用新型发明人在研究中发现，上述方式存在如下问题：(1)直流采样输入回路采用r-c滤波电路，相应时间较长，使采样的实时性较差，当扳手出现堵转等故障时，反应速度慢，无法及时停机，容易造成电机及机械部分损坏；(2)直流采样误差较大，变送器的电路中采用的非线性元件如铁芯、整流二极管等都引起误差；(3)稳定性差，会发生零飘；(4)直流采样需要很多变送器，硬件数量多，接线繁琐，占用平面多。


技术实现要素：

[0006]
为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种交流采样的定扭矩扳手控制装置及扳手，直接通过处理器及对应的电压和电流采样模块实现了对电流信号和电压信号的交流采样，直接获得了电流、电压有效值和有功功率值，可以进行电流控制和功率控制的扭紧方式，提高了控制的灵活性。
[0007]
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0008]
本实用新型第一方面提供了一种交流采样的定扭矩扳手控制装置。
[0009]
一种交流采样的定扭矩扳手控制装置，包括处理器以及与处理器连接的电压采集
模块、可控硅电机驱动模块和指示灯模块；
[0010]
还包括串接在扳手驱动回路中的电流互感器，电流互感器通过电流电压转换电阻与抗混叠滤波器连接，抗混叠滤波器与处理器的电流采集端口连接。
[0011]
作为可能的一些实现方式，所述电压采集模块包括多个串联的电阻，市电输出端口通过串联的电阻与处理器的电压采集端口连接，所述电压采集端口与串联的电阻输出端的连接线上连接有接地的分压电阻。
[0012]
作为进一步的限定，所述分压电阻并联有第一电容。
[0013]
作为可能的一些实现方式，所述指示灯模块至少包括第一led指示灯和第二led指示灯，所述第一led指示灯和第二led指示灯均与处理器的端口连接。
[0014]
作为可能的一些实现方式，所述可控硅电机驱动模块为moc3052光电隔离可控硅驱动电路。
[0015]
作为可能的一些实现方式，还包括与处理器连接的启动开关，所述启动开关的一端与3.3v电压输出端连接，另一端通过第一电阻与处理器的端口连接，所述第一电阻和处理器的端口连线上连接有接地的第二电容。
[0016]
作为可能的一些实现方式，所述处理器为ht5019处理器。
[0017]
作为进一步的限定，还包括扭矩设置电位器，所述扭矩设置电位器通过第二电阻与ht5019处理器的adcin0端口连接，第二电阻与adcin0端口的连线上连接有接地的第三电容。
[0018]
作为可能的一些实现方式，还包括ac-dc电源模块，市电的输出端口与 ac-dc电源模块的输入端口连接，ac-dc电源模块的输出端口输出3.3v电压。
[0019]
作为可能的一些实现方式，电流互感器二次侧的一端与电流电压转换电阻的一端连接，电流互感器二次侧的另一端与电流电压转换电阻的另一端连接，电流电压转换电阻两端分别接入抗混叠滤波器的不同输入端。
[0020]
本实用新型第二方面提供了一种扳手，包括本实用新型第一方面所述的交流采样的定扭矩扳手控制装置。
[0021]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0022]
1、本实用新型所述的控制装置及扳手，采用了电力行业上成熟的单片电能表芯片来完成对电流电压信号的交流采样，并且直接获得电流、电压有效值和有功功率值，可以进行电流控制和功率控制的扭紧方式，提高了控制的灵活性。
[0023]
2、本实用新型所述的控制装置及扳手，对电动扳手控制中关键的电量采集使用了交流采样和数字化处理技术，使得采样控制精度大幅度提高。
[0024]
3、本实用新型所述的控制装置及扳手，通过采用双向可控硅，使得保护更加可靠灵敏，对故障电流反应速度快，采样过程中出现过流故障时，可在下个过零点及时关断可控硅，及时保护了电机及机械部分免受损坏。
[0025]
4、本实用新型所述的控制装置及扳手，采用了大规模的集成电路单芯片 soc设计，大大简化的电路，使得电路更加简洁、可靠，同时延长了扳手的校验周期。
[0026]
5、本实用新型所述的控制装置及扳手，通过对交流电压和电流信号的采集，实现了功率信号的实时采集，对于电压波动比较大的应用场所，可以使用功率控制方法进行控制，对电压的变化进行补偿，增强了扳手的电压适用性，在现场使用中取得了良好的效果。
附图说明
[0027]
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
[0028]
图1为本实用新型实施例1提供的交流采样的定扭矩扳手控制装置的整体结构示意图。
[0029]
图2为本实用新型实施例1提供的交流采样的定扭矩扳手控制装置的电路连接示意图。
[0030]
图3为本实用新型实施例1提供的可控硅驱动及电流采样电路连接示意图。
[0031]
图4为本实用新型实施例1提供的启动按钮连接示意图。
[0032]
图5为本实用新型实施例1提供的扭矩设置电位器的连接示意图。
[0033]
图6为本实用新型实施例1提供的ac-dc电源模块连接示意图。
[0034]
图7为本实用新型实施例2提供的电流电压有效值采集的流程图。
[0035]
图8为本实用新型实施例2提供的有功功率测量的流程图。
[0036]
图9为本实用新型实施例2提供的指示灯显示含义与扳手工作状态的对照图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0038]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0039]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0040]
在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]
实施例1：
[0042]
交流采样具有如下特点：
[0043]
(1)对a/d转换器转换速率和采样保持器要求较高。一个交流周期内采样点数n为128点或更多，可以用数字信号处理的方式，对采样信号进行处理，提高了精度，和稳定性，交流采样的周期采样次数n提高，即可提高相应的精度，减小系统误差。
[0044]
(2)交流采样采用大规模的集成电路，稳定性、可靠性高，延长了校验的次数周期。
[0045]
(3)交流采样由于每个交流周期的采样点数多，对故障电流反应速度快，采样过程中出现过流故障时，可在下个过零点及时关断可控硅，及时保护了电机及机械部分免受损坏。
[0046]
(4)交流采样为综合测量系统，可计算出多种电气参数，如电流、电压、功率等，为多种控制方法的实现提供了数据支持。
[0047]
(5)传统的交流采集算法复杂，需要传感器、电压、电流调理电路、ad 采集电路，cpu电路等，实现较为复杂，随着集成电路技术的发展，国内许多集成电路设计公司，推出了
交流采样芯片，可以方便的实现交流采样功能。本发明采用了电力行业上成熟的单片电能表芯片，来完成对电流电压信号的交流采样，并且直接获得电流、电压有效值，和有功功率值，可以进行电流控制和功率控制的扭紧方式，提高了控制的灵活性。
[0048]
基于背景技术中提及的直流采样所存在的问题，本实用新型实施例1提供了一种交流采样的定扭矩扳手控制装置，如图1所示，包括电量采集cpu单芯片 ht5019、电流采样电路、电压采样点电路、可控硅触发电路及单相串激式电机、电源电路、扭矩设置电路、led状态指示电路和启动开关，详细电路图如图2所示。
[0049]
整个核心电路实现采用了ht5019电能表计量芯片，这是一颗低功耗、高性能的单相电能计量soc芯片，片内集成32-bit arm内核、128k flash、8ksram， 24位高精度adc，支持硬件emu模块，为单相多功能、电能表提供高集成的单芯片解决方案。
[0050]
应用这款经过大规模市场应用考验的芯片，可以方便的实现高精度的电动定扭矩扳手控制，这款芯片具有一下特点：
[0051]
芯片由arm-cortexm0 cpu和emu(电能量处理单元)两大单元构成：
[0052]
arm-cpu部分：
[0053]
基于arm 32-bit cortex-m0 cpu core设计，支持thumb-2指令集，包含嵌套向量中断控制器nvic；
[0054]
交流采样部分使用片内的电能计量单元emu单元构成：
[0055]
电能计量单元emu包括三路完全独立的σ-δadc以及数字信号处理部分。三路adc完成两路电流信号和一路电压信号的采样，数字信号处理部分完成电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。
[0056]
电量采集部分的核心是电流电压有效值采集单元：ht5019同时输出两路电流和一路电压的有效值，有效值可以保证在动态范围为3000：1时，精度达到 0.5％。
[0057]
ht5019为单芯片电量采集cpu电路，r3为i/v电流电压转换电阻，将电流转换为电压信号，r1、r2、c1、c2构成抗混叠滤波器，接入ht5019的电流采集端v1p、v1n。
[0058]
r20-r24串联后与r4分压后，接入ht5019的电压采集通道v3p，对输入220v 电压经行采样。xt为32768hz晶振为ht5019提供精确地时钟信号。其他为电容去耦电路。ledg、ledr为红色、绿色发光二极管指示扳手的工作状态。
[0059]
还包括用于串激式电动机驱动的双向可控硅，及其触发模块，用于实现串激式电机的驱动控制。电流主回路电磁式电流互感器与可控硅、电机、及可控硅触发回路的电路如图3所示。
[0060]
moc3052为光电隔离可控硅驱动电路，scr接ht5019的scr控制脚，完成可控硅驱动，电磁式电流互感器初级接入电流主回路，次级ian、iap，与电流电压转换电阻r3连接。
[0061]
扳手的启动按钮sw通过r6、c15，与ht5019的pb0连接，如图4所示。
[0062]
扭矩设置电位器，w1通过r7、c16接入ht5019的ad0，ad转换器，通过测量ad0端的电压，获知电位器的位置，并换算为对应扭矩的控制电流值，如图5所示。
[0063]
ac-dc电源模块，将220v交流转换为3.3v直流电，为装置提供工作电源，如图6所示。
[0064]
实施例2：
[0065]
本实用新型实施例2提供了一种交流采样的定扭矩扳手控制装置，在ht5019 电能
表计量芯片中：
[0066]
如图7所示：电压电流信号经过传感器和芯片内集成的pga放大器，进入 adc转化为数字信号，通过数字高低通滤波器(lpf)滤除高次谐波干扰。通过对电流、电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列数字信号信号处理和运算得到。电压电流通道输入有效值500mv到1mv的信号时电流有效值的误差小于0.2％。
[0067]
有功功率测量，如图8所示，有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。功率控制方法相比于传统电流控制方法的优点是：对于电压波动比较大的应用场所，使用功率控制方法进行控制，对电压的变化进行补偿，增强了扳手的电压适用性。
[0068]
装置的工作流程如下：按下扳手启动开关，读取装置w1电位器的分压值，换算为设置扭矩对应的控制电流值，用于判断到达扭矩停机；
[0069]
触发可控硅电机工作，扳手开始扭紧作业；
[0070]
led实时显示扳手工作状态包括：扭紧完成情况、过流报警、电机断线报警、过压、欠压报警以及当前工作状态包括：轻载工作、负载工作。
[0071]
当电压在220v
±
20％范围内时，判断为电压正常，小于20％时为欠压状态，大于20％时为过压状态，为了保护扳手和施工质量，过压欠压时扳手停止工作，并在屏幕显示对应报警信息，以闪烁方式显示引起用户注意。
[0072]
根据扭矩设定值，小于扭矩设定值20％的情况下显示轻载工作，大于时显示负载工作。
[0073]
如启动开关按下时，但未能检测到设定扭矩对应电流的1％时，判断为电机断线，并在屏幕显示。
[0074]
如启动开关按下时，检测到设定扭矩对应电流的110％时，判断为电机短路，并在led显示。
[0075]
两只不同颜色的led通过不同频率的显示组合指示扳手的工作状态，如图9 所示。
[0076]
实施例3：
[0077]
本实用新型实施例3提供了一种扳手，包括本实用新型实施例1或实施例2所述的交流采样的定扭矩扳手控制装置。
[0078]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。