單芯片全數(shù)字處理交流采樣電動定扭矩扳手研究

孟朝暉 楊立春 張 青

（山東中興電動工具有限公司，山東 濟南 250100）

現(xiàn)代大型橋梁一般采用鋼結構，通過高強度螺栓組將多個鋼結構進行連接，組成整個橋梁，高強度螺栓扭緊后，螺栓軸向產(chǎn)生很大的擰緊預拉力，軸向的預拉力乘以鋼結構間的摩擦系數(shù)可以獲得巨大的摩擦力，鋼結構通過摩擦力永久連接在一起。高強度螺栓施工普遍使用電動定扭矩扳手，通過對扭矩的精確控制進而獲得精確的軸向預拉力。電動定扭矩扳手使用串激式交流電機作為動力，通過多級機械行星齒輪減速獲得大扭矩。串激電機的輸出扭矩與輸入電流呈現(xiàn)近似的線性關系，通過測量電流可以實現(xiàn)扭矩控制的目的。電流控制型電動定扭矩扳手基于該原理實現(xiàn)扭矩控制。扭矩控制的精確度，取決于電流控制的精確程度，在實際工程中施工現(xiàn)場的電壓是不斷變化的，因此精確地采集電機的電流并對電壓變化進行跟蹤補償，是實現(xiàn)高精度扭矩控制的先決條件。

1 現(xiàn)有電動定扭矩扳手存在的問題

電動定扭矩扳手用于高強度螺栓扭緊已有多年的歷史，通過對當前市場上多款傳統(tǒng)的定扭矩扳手進行分析，發(fā)現(xiàn)其存在以下共性不足。

傳統(tǒng)的定扭矩扳手只對電流環(huán)節(jié)進行了處理，未考慮電壓變化對扭矩精度的影響，現(xiàn)場電壓波動大時，扭矩變化大。電流信號經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)換為直流信號進入AD 處理，屬于“直流采樣”方式，整流二極管的非線性和大時間常數(shù)RC 濾波電路導致采樣線性差、誤差大、易漂移，實時性差。扳手在施工中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、卡死等故障時反應速度慢，容易發(fā)生電機及機械部分損壞。缺少數(shù)字顯示界面，扳手設置及工作過程狀態(tài)顯示不直觀方便，硬件電路復雜、體積大、故障點多、調(diào)試復雜。

2 對傳統(tǒng)電動定扭矩扳手的改進

傳統(tǒng)工具存在很多不足，無法實現(xiàn)精確穩(wěn)定可靠的扭矩控制。亟需研發(fā)一種新型的具有高精度、高可靠性、免維護、長壽命、使用直觀方便的小型化新型電動扳手。該研究應用數(shù)字信號處理技術和新型國產(chǎn)集成電路研制出一款全新概念的單芯片全數(shù)字處理交流采樣電動定扭矩扳手。針對上述問題，該研究提出了相應的解決方案：增加了電壓采集回路，對輸入電壓進行了實時采樣監(jiān)控，應用“交流采樣”技術，對電流電壓信號進行高速、高精度采樣和全數(shù)字處理，大幅度提高采樣精度和線性度，同時抑制了各種漂移，在故障時高速采樣對電機及機械部分的保護更加迅速可靠。加入了LCD 顯示和鍵盤設置，使扳手直觀易用。這些功能依靠“中國芯”單芯片實現(xiàn)，電路運行簡單、穩(wěn)定、可靠。

全數(shù)字處理交流采樣是指電流電壓信號經(jīng)過互感器進行隔離和降低幅值后，不再進行整流、積分濾波，直接將交流模擬信號送至高精度A/D 進行高速數(shù)字采樣，再通過離散數(shù)字積分算法直接得到電流、電壓的有效值（RMS）。

全數(shù)字處理交流采樣的特點如下。1）一個正弦交流周期內(nèi)采樣點數(shù)多，可達128 點，即50Hz × 128=6400Hz，AD 使用6.4kHz 的速率對電流、電壓信號進行高速采樣處理，提高了精度和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)誤差。2）高速采樣提高故障電流、電壓反應速度，采樣過程中出現(xiàn)過流、過壓故障時，可在下個交流周期的過零點及時關斷可控硅，使電機及機械部分得到及時保護。3）全數(shù)字處理交流采樣，通過數(shù)字信號處理技術可同時計算出電流、電壓、功率多種電氣參數(shù)，為達到多種控制方式提供了基礎的數(shù)據(jù)支持。

全數(shù)字處理交流采樣在電動定扭矩工具行業(yè)未被應用的原因在于傳統(tǒng)的交流采集算法在單片機上實現(xiàn)算法復雜計算量大；單片機片內(nèi)置AD 精度低，一般≤12bit；調(diào)理電路復雜，電壓、電流電路使用多片集成電路才能實現(xiàn)。隨著國內(nèi)集成電路技術的發(fā)展，許多集成電路設計公司，推出了高集成度的交流采樣芯片，可以方便地實現(xiàn)電壓、電流交流采樣功能。該文采用了電力行業(yè)上獲得大規(guī)模應用的“單片集成電路智能電能表芯片”，對電流電壓信號進行交流采樣，經(jīng)數(shù)字信號處理直接獲得電流、電壓的有效值和功率值，可以對定扭矩扳手進行電流控制方式或功率控制方式的扭緊，提高了控制的精度和穩(wěn)定性，以及控制方式的靈活性。

3 “中國芯”電能表計量芯片HT5029

該文提出全數(shù)字處理交流采樣電動定扭矩扳手，其核心電路采用了上海鉅泉光電科技股份有限公司出品的“中國芯”芯片《HT5029 電能表計量芯片》，HT5029 廣泛應用于我國的智能電表領域，是經(jīng)過了大規(guī)模市場應用考驗的成熟芯片，該芯片配合簡單的外圍電路可以方便地實現(xiàn)電動定扭矩扳手的高精度、高可靠性控制。這是一顆低功耗、高性能、多功能的單相電能計量 SoC 芯片，為單相多功能電能表提供高集成的單芯片解決方案。

芯片具有以下特點：HT5029 是一顆低功耗、高性能的單相電能計量SoC 芯片，片內(nèi)集成 32 bit ARM 內(nèi)核、256K flash、32K SRAM、硬件 EMU 模塊、帶有溫度自補償功能的高精度ADC 模塊，以及 LCD 驅(qū)動等功能，HT5029芯片由2 個單元構成，作為CPU 的ARM 架構的cortexM0單元和電能量處理單元（EMU）。

3.1 EMU單元構成

交流采樣部分使用HT5029 片內(nèi)的電能計量單元（EMU），包括三路可編程增益放大器（PGA）完成輸入差分信號的幅度放大，完全獨立的3 路24Bit Σ-ΔADC 對放大后的電流信號和電壓信號進行采樣，經(jīng)FIR 數(shù)字低通濾波和數(shù)字積分式有效值RMS 處理后直接輸出電壓有效值、電流有效值及頻率值、電壓過零點檢測中斷信號。所有這些數(shù)字運算由EMU 電路硬件直接完成，避免了CPU 大量的數(shù)字信號處理運算工作。

3.2 ARM單元構成

Cortex-M0 處理器基于一個高集成度、低功耗的32 位處理器內(nèi)核，采用3 級流水線馮·諾伊曼結構（Von Neumann architecture）。通過簡單且功能強大的指令集以及全面優(yōu)化的設計，Cortex-M0 處理器可實現(xiàn)極高的能效。Cortex-M0處理器采用 ARMv6-M 結構，基于16bits 的Thumb 指令集，同時也支持Thumb-2 指令集，當一個操作可以使用一條 32bits 指令完成時，就使用 32bits 的指令，以加快運行速度；當一次操作只需要一條16bits 指令完成時，就使用16bits 的指令，節(jié)約存儲空間。這種方式提供了一個現(xiàn)代32 位結構所希望的出色性能，代碼密度比其他8 位和16位微控制器都要高。

由上文可知，HT5029 智能電表芯片具備優(yōu)異的性能，被廣泛地應用于我國智能電表行業(yè)。應用這款芯片進行定扭矩扳手控制可以簡化工具控制電路的設計，將原來的CPU 電路、電流電壓前向調(diào)理通道電路、高精度ADC 電路、電壓過零點生成電路、LCD 驅(qū)動電路等很多電路才能實現(xiàn)的控制器集成為單芯片，同時可以獲得傳統(tǒng)控制電路無法實現(xiàn)的高精度、高性能以及電路的小型化，是應用先進智能電表芯片對傳統(tǒng)工具進行性能提升的首次有益嘗試。

4 單芯片全數(shù)字處理交流采樣電動定扭矩扳手實現(xiàn)電路

單芯片全數(shù)字處理交流采樣數(shù)顯定扭矩扳手控制器實現(xiàn)的全部電路如圖1 所示。

控制器電路采用HT5029 單芯片電量采集計量電路為核心構成，分為EMU 模擬單元與ARM 數(shù)字單元2 個部分。模擬電路完成電流電壓信號的采樣處理，數(shù)字部分完成顯示、設置、SSR 觸發(fā)調(diào)速等功能，整個系統(tǒng)由HT5029 單芯片和簡單的外圍電路構成。

4.1 EMU模擬電路部分

定扭矩扳手的電流、電壓信號的采樣、濾波、放大及AD 轉(zhuǎn)換由芯片中的EMU 和簡單的外圍輔助電路完成。

電流采樣通道：電機的電流經(jīng)10A/5mA 電流互感器CT 進行隔離與降幅，通過I/V 轉(zhuǎn)換電阻R（10R）將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)由R、R（1K2）、C、C（33nF）構成的抗混疊濾波器，接入HT5029 的V1P、V1N 的差分電流輸入端，由芯片內(nèi)部的可編程增益放大器（PGA）對電流差分信號進行幅度放大，經(jīng)24Bit Σ-ΔADC 對放大后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)FIR 數(shù)字低通濾波和數(shù)字積分器，經(jīng)過數(shù)字積分和開平方運算后得到電流的均方根值（RMS）。

電壓采樣及過零點檢測通道：220V 交流電電壓由AC_L、AC_N 端輸入，經(jīng)R～R（390K）串聯(lián)后與R（1K2）構成的電阻分壓網(wǎng)路進行降壓，R（1K2）、C（33nF）為電壓通道的抗混疊濾波器，降壓濾波后的電壓信號接入V3P電壓采樣通道對輸入電壓采樣，具體處理流程與電流通道一致。同時芯片內(nèi)置了過零點檢測電路，可以獲得電壓的過零點信號，該過零點信號用于SSR 固態(tài)繼電器的觸發(fā)，在軟件的配合下可以方便地實現(xiàn)電機開關與調(diào)速功能。

芯片的EMU 在完成電流電壓RMS 計算后，通過數(shù)字移相和乘法器，還可以獲得視在功率、有功功率等電量信息，這些信息被保存在寄存器中，并且實時刷新。

4.2 ARM-CPU部分

在HT5029 芯片內(nèi)部，EMU 單元通過AHB-LITE 總線與ARM-CPU 連接，ARM 通過寄存器訪問獲得電流、電壓、功率等信息，交流電壓過零點以中斷方式提供。HT5029 芯片具有眾多的GPIO，同時還集成了LCD 驅(qū)動單元，可以方便的驅(qū)動段位式LCD，整個電路非常簡潔。

如圖所示：32768Hz晶振為HT5029提供時鐘信號。SEG0-SEG15 為LCD 模塊的段驅(qū)動，COM0-COM3 為LCD 模塊的位驅(qū)動，可驅(qū)動4×8 段的LCD 顯示器。扳手的工作狀態(tài)由LEDG、LEDR 紅綠色發(fā)光二極管顯示；Key 為扳手手柄上的啟動開關；AN1-3 為軟鍵盤用于設置扭矩等參數(shù)；SSR 管腳連接固態(tài)繼電器；這些電路均接入HT5029 的GPIO。SWCLK、SWDIO 為ARM 的通用兩線調(diào)試接口，通過該接口可以方便的下載與調(diào)試程序，RX0、TX0 為串行通信接口，用于系統(tǒng)調(diào)試信息輸出或功能擴展。

SSR 為固態(tài)繼電器，內(nèi)部集成了雙向可控硅及光電隔離觸發(fā)電路，具有全密封體積小的優(yōu)點，考慮到需要調(diào)速，應該使用隨機觸發(fā)式SSR。電機、SSR 與電流互感器初級串聯(lián)后接入交流220V，實現(xiàn)串激式電機的調(diào)速驅(qū)動控制。電源可直接采用成品的AC-DC 電源模塊。由圖1 可見相對傳統(tǒng)的定扭矩扳手電路，在完成同樣功能的情況下該方案的硬件電路實現(xiàn)了“極簡”，這得益于智能電表芯片的使用。

圖1 單芯片全數(shù)字處理交流采樣數(shù)顯定扭矩扳手控制器電路

4.3 該裝置的工作流程

按下扳手啟動開關，程序通過連續(xù)的寄存器訪問獲得電流、電壓的實時RMS 值，并將扳手當前設定的扭矩值換算為對應的控制電流值，當實時RMS 電流值大于控制電流值時，視為到達設定扭矩，關閉電機完成扭緊。SSR 管腳用于驅(qū)動固態(tài)繼電器SSR，CPU 根據(jù)電壓過零點中斷信號配合內(nèi)部定時器形成可控硅觸發(fā)信號，在扳手緩啟動過程中，逐漸增大可控硅導通角，約3s 升至正常轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)扳手的緩啟動。LCD 實時顯示扳手工作狀態(tài)包括扭緊完成情況、過流報警、電機斷線報警、過壓、欠壓報警，以及當前工作狀態(tài)包括輕載工作、負載工作。正常扭緊完成后，綠色LED 閃亮指示正常，異常時紅色LED 閃亮。

4.4 電壓、電流異常處理

當電源電壓在220V±20%（176V～264V）時，視為電源電壓正常，扳手可以工作；電源電壓小于176V 時為欠壓狀態(tài)；大于265V 時為過壓狀態(tài)。為了保護扳手，電源過壓欠壓時扳手停止工作，紅色LED 閃亮，并在LCD 上顯示對應報警信息。當扭矩小于預設的扭矩值20%時顯示輕載工作，大于時顯示負載工作。當電機工作時未能檢測到設定扭矩對應電流的5%時，判斷為電機斷線，檢測到設定扭矩對應電流的200%時，判斷為電機短路，并在LCD 顯示。

4.5 溫度補償與軸力修正

芯片集成了高精度溫度傳感器 TPS：在-40 ℃～+85℃，溫度傳感器一致性優(yōu)于±0.5℃。利用該溫度信息可以對片內(nèi)的3 路ADC 進行自動溫度補償，保證了工具在整個溫度范圍內(nèi)的精度。實際施工中室外鋼結構的溫度隨環(huán)境溫度變化，在夏季施工與冬季施工時存在較大的溫差，導致了冬夏兩季鋼結構的摩擦系數(shù)不同，同樣扭矩施工時產(chǎn)生的軸力有較大差異，使用該溫度傳感器獲得的溫度信息，可以通過對扭矩進行修正來保證不同溫度下螺栓軸力的一致性。

5 結語

該文對電動定扭矩扳手控制中的電流、電壓、交流采樣和數(shù)字信號處理技術進行了研究，使采樣控制精度大幅度提高，高速采樣對故障電流的反應更加迅速靈敏，在出現(xiàn)過流故障時，可在下個過零點及時關斷電機，保護更加可靠，防止了電機及機械部分的損壞，全面顯示了扳手的工作狀態(tài)和故障信息，令使用更加易懂。采用了“中國芯”單芯片智能電表芯片，簡化了軟硬件設計，在完成工具高精度扭矩控制的基礎上，做到了電路的“極簡”和小型化、實現(xiàn)了工具的高可靠性、低故障率、長壽命。在對電壓波動比較大的工作現(xiàn)場，可以使用對電壓的變化進行補償?shù)暮愎β士刂品椒ㄟM行控制，增強了扳手的電壓適用性，是一款全新設計概念的電動定扭矩扳手，在現(xiàn)場使用中取得了良好的效果。