ONO SOKKI TQ-5300扭矩計(jì)算指示器：基于周期運(yùn)算的高速響應(yīng)扭矩測量原理

摘要：
隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高性能動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，扭矩測量技術(shù)面臨從穩(wěn)態(tài)測量向瞬態(tài)波動(dòng)跟蹤的挑戰(zhàn)。ONO SOKKI（小野測器）推出的TQ-5300扭矩計(jì)算指示器，作為與法蘭型高剛性扭矩傳感器配套的核心數(shù)據(jù)處理單元，通過獨(dú)特的周期運(yùn)算方式，實(shí)現(xiàn)了對脈沖信號(hào)的高速響應(yīng)轉(zhuǎn)換。本文基于技術(shù)資料，系統(tǒng)闡述TQ-5300的產(chǎn)品定位、核心工作原理、信號(hào)處理流程、多種輸出形式及其在動(dòng)態(tài)扭矩測量中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：扭矩計(jì)算指示器；TQ-5300；周期運(yùn)算方式；高速響應(yīng)；扭矩測量；小野測器

1. 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研發(fā)測試中，扭矩是評(píng)價(jià)動(dòng)力性能的核心參數(shù)。隨著測試工況從穩(wěn)態(tài)向瞬態(tài)轉(zhuǎn)變，以及電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提升（可達(dá)25,000 r/min以上），對扭矩測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出了更高要求。傳統(tǒng)的扭矩顯示儀表往往難以捕捉毫秒級(jí)變化的扭矩波動(dòng)。ONO SOKKI TQ-5300扭矩計(jì)算指示器正是為解決這一難題而設(shè)計(jì)，它與TQ-1000/2000系列法蘭型高剛性扭矩傳感器配套使用，將傳感器的脈沖輸出轉(zhuǎn)換為高精度數(shù)字扭矩值和高速響應(yīng)的模擬電壓輸出，成為動(dòng)力總成測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2. 產(chǎn)品定位與系統(tǒng)組成

TQ-5300是一款專為扭矩測量設(shè)計(jì)的運(yùn)算顯示器（Torque Meter），屬于扭矩測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與顯示單元。它不能獨(dú)立工作，必須與以下部件配合構(gòu)成完整的扭矩測量系統(tǒng)：

1. 扭矩傳感器：TQ-1000/2000系列法蘭型高剛性扭矩傳感器。該傳感器將感受到的扭矩轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出——無負(fù)荷時(shí)輸出10 kHz，正向額定扭矩時(shí)輸出15 kHz，負(fù)向額定扭矩時(shí)輸出5 kHz。

2. 轉(zhuǎn)速傳感器：MP-981、MP-9820等磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，用于測量旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，輸入頻率范圍可達(dá)1 Hz～100 kHz。

3. TQ-5300主機(jī)：接收扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算處理后實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示、模擬輸出和數(shù)字通信。

3. 核心工作原理：周期運(yùn)算方式

TQ-5300最核心的技術(shù)特征在于其采用的周期運(yùn)算方式（Periodic Calculation Method），這是實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)模擬信號(hào)輸出的關(guān)鍵。

3.1 基本原理

與傳統(tǒng)的頻率測量方式不同，周期運(yùn)算方式不是在一定時(shí)間窗口內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算平均頻率，而是對每一個(gè)輸入脈沖的周期進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和轉(zhuǎn)換。其工作流程如下：

1. 脈沖輸入：TQ-2000系列扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)（1 kHz～25 kHz）被送入TQ-5300的輸入電路。該信號(hào)頻率隨施加扭矩的大小呈線性變化——扭矩越大，頻率偏離中心值（10 kHz）的程度越大。

2. 周期測量：TQ-5300內(nèi)部的精密計(jì)時(shí)電路測量每一個(gè)輸入脈沖的周期（即兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔）。由于扭矩傳感器的頻率輸出具有高線性度（±0.05 %/F.S.），脈沖周期與扭矩值之間存在確定的對應(yīng)關(guān)系。

3. 實(shí)時(shí)換算：根據(jù)測得的脈沖周期，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的傳感器標(biāo)定系數(shù)（容量、因子等），TQ-5300的運(yùn)算電路立即計(jì)算出當(dāng)前脈沖周期對應(yīng)的瞬時(shí)扭矩值。

4. 模擬輸出更新：每個(gè)脈沖周期計(jì)算完成后，立即更新模擬電壓輸出。這意味著每輸入一個(gè)脈沖，模擬輸出就更新一次。

3.2 響應(yīng)時(shí)間分析

周期運(yùn)算方式帶來的顯著優(yōu)勢是極短的響應(yīng)時(shí)間。TQ-5300的模擬輸出響應(yīng)時(shí)間為1個(gè)信號(hào)周期 + 5 μs以內(nèi)。

以實(shí)際工況為例：

• 當(dāng)施加正向額定扭矩時(shí)，傳感器輸出頻率為15 kHz，對應(yīng)的脈沖周期約為66.7 μs（1/15000）。

• 此時(shí)，TQ-5300的響應(yīng)時(shí)間 = 66.7 μs + 5 μs ≈ 71.7 μs。

• 當(dāng)施加負(fù)向額定扭矩時(shí)，傳感器輸出頻率為5 kHz，脈沖周期為200 μs，響應(yīng)時(shí)間約為205 μs。

這種響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的積分式頻率計(jì)，使得TQ-5300能夠跟蹤扭矩的激烈變化，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況、變速箱換擋過程、電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等動(dòng)態(tài)測量場景。

4. 信號(hào)處理與輸出形式

TQ-5300將輸入的脈沖信號(hào)經(jīng)過周期運(yùn)算處理后，以多種形式輸出測量結(jié)果，滿足不同應(yīng)用需求。

4.1 數(shù)字顯示

前面板配備高亮度數(shù)字顯示器，可顯示：

• 單行顯示：僅顯示扭矩值（極性+5位）

• 雙行顯示：同時(shí)顯示扭矩值和轉(zhuǎn)速值
  扭矩顯示精度達(dá)到±0.008 %/F.S. ±1計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速顯示精度為顯示值×±0.01% ±1計(jì)數(shù)。

4.2 模擬電壓輸出

• 扭矩模擬輸出：0～±10 V/F.S.，精度±0.05 %/F.S.。輸出響應(yīng)時(shí)間即為周期運(yùn)算時(shí)間（1周期+5 μs以內(nèi)）。

• 轉(zhuǎn)速模擬輸出：0～±10 V/F.S.，精度±0.3 %/F.S.，響應(yīng)時(shí)間1 ms以內(nèi)。

• 2通道輸出（選配TQ-0531）：可同時(shí)輸出兩路扭矩信號(hào)，例如一路用于數(shù)據(jù)記錄，另一路用于實(shí)時(shí)控制，各通道可獨(dú)立進(jìn)行低通濾波處理。

4.3 脈沖輸出

將輸入的扭矩傳感器脈沖信號(hào)和轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號(hào)經(jīng)波形整形后原樣輸出，便于接入其他計(jì)數(shù)設(shè)備或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4.4 數(shù)字通信輸出

TQ-5300提供多種數(shù)字通信接口選配，實(shí)現(xiàn)高精度扭矩測量值的無損輸出：

• RS-232C（TQ-0532）：標(biāo)準(zhǔn)配置，波特率9600/38400 bps

• CAN（TQ-0533）：符合CAN Ver2.0B，輸出更新周期可設(shè)置

• EtherCAT（TQ-0535）：符合IEC61508，支持10/100 Mbps高速通信

• PROFIBUS（TQ-0534）：部分市場版本支持

5. 擴(kuò)展功能與智能化設(shè)計(jì)

5.1 多量程測量功能

通過選配TQ-0536多量程對應(yīng)功能，使用1臺(tái)扭矩傳感器即可對應(yīng)3段不同扭矩容量的測量量程。例如，一臺(tái)額定容量200 N·m的傳感器，可通過設(shè)定實(shí)現(xiàn)0-200 N·m、0-100 N·m、0-50 N·m等多個(gè)量程的測量。這一功能避免了根據(jù)不同試驗(yàn)內(nèi)容頻繁更換傳感器的麻煩，保證了測試系統(tǒng)的一致性。

5.2 比較輸出功能

TQ-5300內(nèi)置3通道比較器：

• 2通道可自由設(shè)定報(bào)警閾值（也可用于轉(zhuǎn)速比較）

• 1通道固定為110%過載報(bào)警
  當(dāng)測量值超過設(shè)定值時(shí)，通過無電壓觸點(diǎn)輸出報(bào)警信號(hào)，并可設(shè)定內(nèi)部鎖定功能。

5.3 遙控I/O功能

標(biāo)準(zhǔn)配備遙控輸入輸出接口，支持：

• 輸入：轉(zhuǎn)向選擇（CW/CCW切換）、扭矩零點(diǎn)修正開始、設(shè)定條件切換等

• 輸出：檢測準(zhǔn)備完成、比較結(jié)果、設(shè)定條件確認(rèn)等

6. 應(yīng)用價(jià)值與結(jié)論

ONO SOKKI TQ-5300扭矩計(jì)算指示器通過周期運(yùn)算方式這一核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對扭矩傳感器脈沖信號(hào)的高速響應(yīng)轉(zhuǎn)換，將模擬輸出的更新時(shí)間壓縮至單個(gè)脈沖周期級(jí)別（數(shù)十至數(shù)百微秒）。這一技術(shù)特性使其能夠精確捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)在瞬態(tài)工況下的扭矩波動(dòng)，為動(dòng)力系統(tǒng)的性能優(yōu)化和控制策略開發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

與TQ-2000系列高剛性扭矩傳感器配套使用時(shí)，系統(tǒng)整體剛性比傳統(tǒng)產(chǎn)品提升約20倍，高轉(zhuǎn)速可達(dá)25,000 r/min，滿足了EV/HEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)等高轉(zhuǎn)速應(yīng)用場景的測試需求。多量程測量、多種數(shù)字通信接口和比較輸出等功能的加入，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的靈活性和集成度。

作為小野測器扭矩測量產(chǎn)品線中的核心數(shù)據(jù)處理單元，TQ-5300的技術(shù)方案體現(xiàn)了現(xiàn)代測試儀器向高速響應(yīng)、數(shù)字通信、多功能集成方向發(fā)展的趨勢，為動(dòng)力總成測試領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供了應(yīng)對動(dòng)態(tài)扭矩測量挑戰(zhàn)的有效工具。