高强度螺栓电动定扭矩拧紧扳手测控系统设计

2万 · 2019-5-4 22:25

在测控系统硬件方案中，采用功能较为强大且性能稳定的STM32F 103RET6
作为整个系统的主控制芯片，该芯片主要负责所有外设的数据通信与整机逻辑控
制[X25]0测控系统硬件中所有功能模块除了主控制系统模块，还具有用于为系统提
供电源的电源模块以及供用户进行操作以及信息显示的数显界面。同时，测控系
统包含具有扭矩传感器、角度传感器、时间以及二维码数据的信号采集模块和包
含有无线通信、TF存储以及USB传输的数据存储以及传输模块，最后添加了用
于对电极进行控制的电机模块以及用于保证控制系统安全性的故障诊断和报警
模块。

2万 · 2019-5-4 22:25

测控系统除了需要保证能够精确可靠地完成高强度螺栓的拧紧工作，还需可
靠地完成项目需求的其他任务工作以使得整体设备具备良好的功能体验性。在完
成测控系统的硬件可行性方案后，需要进行相应的软件方案设计以保证整体测控
系统的正常运行。
根据项目对于螺栓拧紧测控系统的需求设计系统软件方案，整体设计方案采
取模块化设计思想，整体测控系统软件分为操作界面设计、扭矩信息采集与处理、
扭矩控制方法设计、无线通信设计、二维码采集、数据存储以及故障测控单元等
模块，其中各个模块软件设计的主要任务和功能如表2-3所示。

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主控制芯片是整个螺栓拧紧测控系统的核心部件，它不仅维持整个系统正常
工作，还负责所有内部和外部信号的处理和数据通信工作，其性能的好坏以及资
源大小会直接影响整个测控系统的功能和性能，整个测控系统的设计工作都需要
以主控制芯片为控制核心进行。
根据螺栓拧紧扳手项目的具体需求，结合实际功能所需芯片的资源、性能和
成本，对各类处理器进行资源以及开发难度比较后，最终选择意法半导体公司出
产的STM32F 103RET6作为控制板的控制芯片。STM32F103RET6控制芯片是一
款STM32增强型系列微控制器，该控制芯片主频最高可达72MHz，具有较为丰
富的片内资源，现在己经广泛的运用到工业、通信等重要领域中，整体可靠性比
较好。根据扳手测控系统硬件逻辑资源需求，对控制芯片逻辑资源与实际需求资
源进行对比分析，系统需求硬件资源与STM32F103RET6控制芯片内部硬件逻辑
资源如表3-1所示

2万 · 2019-5-4 22:26

从上述系统需求资源与控制芯片的硬件资源对比中，STM32F 103RET6硬件
资源丰富，满足系统对于硬件资源的要求。同时，控制芯片CPU频率达到72MHz,
且内部具备64K的RAM资源，该控制芯片能较好的满足测控系统逻辑资源需求，
同时该系列芯片在市场上应用较广、出货量大，性价比较高，另外，该系列芯片
学习以及网络资源丰富，且实际应用较多，方便开发者开发，鉴于以上因素，最
终选定采用STM32F I 03RET6作为主控制芯片。

2万 · 2019-5-4 22:27

根据项目需求并结合整体硬件逻辑资源，对测控系统硬件结构进行设计，合
理的硬件方案是产品可行性的基础，优秀的硬件方案不仅能恰当的配合软件实现
产品功能且能极大的提升产品性能。通过对控制方案进行多次优化后，得到最终
的可行性较好的测控系统主控板电路方案如图2-1所示。

2万 · 2019-5-4 22:27

测控系统采用功能较为强大且性能稳定的STM32F103RET6作为主控制芯片，
该芯片主要负责所有外设的数据通信与整机逻辑控制f2}1。高强度螺栓电动拧紧测
控系统中所有硬件功能模块均是根据项目需求进行设计，其各个硬件模块及其功
能列表如表3-2所示。

2万 · 2019-5-4 22:27

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根据整个测控系统的电压以及系统功率需求，对系统使用电源新型进行选型
和电路设计。通过对电源芯片进行选型，选择开关型电源芯片TPS5450作为主
电源芯片，用于输出++l OV和+SVo
TPS5450电源转换芯片有着S.SV}36V的宽电源输入范围，可以输出SA的
电流，且其输出电压可通过配置电阻进行调节，其电压可调节功能以及芯片特可
以满足本测控设备对于电源的基本需求。课题中所需的lOV以及SV电压即是通
过配置可调电阻大小所得，其电源设计电路如图3-2所示。

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一个单片机正常工作所需要的最基本组成即为最小系统。测控系统选用
STM32F I 03RET6作为螺栓拧紧测控系统CPU控制芯片，该主控芯片最小系统
由主控制芯片、电源电路、晶振电路、复位电路、BOOT引脚配置和下载调试电
路构成。整个控制芯片通过外接一个8M晶振作为片外时钟来源，通过电容和电
阻构成上电复位电路，为了使得系统从Flash中开始启动程序在进行设计时直接
下拉BOOTO引脚并上拉BOOT1引脚。最后由于所选控制芯片引脚有限，并未
使用开发较常用的JTAG引脚，而是使用了只需要四根线SWD方式设计下载电
路以便于节省硬件资源。本文所选控制芯片最小系统电路图如图3-3所示。

2万 · 2019-5-4 22:32

HMI交互模块是用户与测控系统进行信息交互的媒介，也是用户了解产品特
性最直接的环节。HMI设计的好坏不仅仅关系到了用户的操作难易程度以及用
户体验性，还对整机安全性能高低有着较大的影响。扭矩扳手作为铁路桥梁施工
工具，其界面设计必须具有良好的人机交互性，这对于整体扳手的使用以及项目
工程质量具有至关重要的作用[[29,30]0
电动扭矩扳手是一种用于桥梁等大型建设工程中螺栓拧紧作业的便携式扭
矩控制设备，设备应用坏境较为恶劣，这也就要求整体的人机控制界面不能过大，
以避免操作界面经常性损坏影响设备正常使用，同时又能可靠地显示数字、字符
以及图案等信息以保证较好的用户体验性。根据项目需求，最终选取一款0.96
寸OLED显示屏，配备四个功能按键实现整个测控系统的人机控制界面。
选用的0.%寸OLED显示屏模块具有128*64的分辨率，可视角度>>160度，
且模块自带内部芯片驱动，并向用户提供SPI和IIC两种总线接口模式，IO引脚
占用较少，用户可以直接通过对标准总线进行操作。根据主控制芯片硬件资源，
设计采用SPI总线接口模式，其显示屏模块及按键电路原理图如图3-4所示。

2万 · 2019-5-4 22:33

本文在进行螺栓拧紧控制方式时选择扭矩法和转角法双重模式控制，在采用
扭矩法是摒弃了以往电流输入强度控制输出扭矩的方式，而是采用检测扭矩传感
器信号形成对最终输出扭矩的控制。采用A/D转换器模块即可以实现把扭矩传
感器数据转换成数字量信息以供CPU模块处理，该模块采集的扭矩传感器信息
是实现扭矩控制的核心，是整个测控系统实现螺栓扭矩法拧紧的基础[[31]。在选择
户了D模块之前除了需要了解A/D模块特性还需要对扭矩传感器进行原理分析。

2万 · 2019-5-4 22:36

<1)扭矩传感器选型和原理分析
市场上，常见的扭矩传感器主要磁弹性型扭矩传感器、转角型扭矩传感器和
电阻应变片式扭矩传感器，各类传感器主要优缺点[[32]如下表3-2所示。

经过上述三类扭矩传感器的性能综合对比以及项目实际需求，在确保电阻应
变片扭矩传感器材料以及贴片工艺情况下，选用电阻应变片式扭矩传感器，以保
证整体控制精度。
C2)电阻应变片式传感器工作原理
扳手采用电阻应变片作为扭矩传感器。电阻应变片式传感器贴片工艺对于最
终得到的模拟量数据有着极大的影响，进而对最终控制扭矩形成极大影响。在实
际贴片过程中，电阻应变片需要粘贴在弹性轴上，四个电阻组成一个测量电桥，
当弹性轴受到外接扭矩作用时弹性轴会产生一个微小变形，这个微小变形会引起
电桥电阻的变化，从而影响电桥两个测量端之间的电压差，我们通过测量电桥这
两个测量端之间的电压差进行扭矩标定，进而实现扭矩测量。扭矩传感器贴片方
式和电桥如图3-5所示。

2万 · 2019-5-4 22:37

由于该系列传感器的精度和稳定性主要和电源以及贴片工艺相关，本文电源
精度通过硬件电路进行稳压得以保证，应变片材料以及工艺由北京某电动工具公
司负责。在进行贴片工艺处理时，由于粘贴电阻应变片的截面不可避免得存在轴
力等应力的影响，为了消除应力对于测量精度的影响，电阻应变片与轴线成450
分布式贴在弹性轴上。在保证电源精度以及应变片的工艺后，A/D模块通过采集
通过测量电桥两端的模拟电压差并进行模数转换，进行静态或者快速标定后即可
实现扭矩的转换，进而实现扭矩控制。

2万 · 2019-5-4 22:38

(3) A/D转换器选型与电路设计
根据项目对于AD采样速率以及精度等性能的具体需求，选择HX530 A/D芯
片作为差分模拟量信号采集模块。HX530是一款前置超低噪声24位模数转换器
芯片，具备内置超低噪声的2128倍可编程增益斩波放大器，该芯片有两个差分
信号输入通道。同时，该模块具有较强的灵活性，模拟和数字电源可在3}SV之
间进行灵活选择，外部控制器只需要两个IO口就可实现对AD模块的所有控制。
HX530能够输出5}1.28KHz的模/数转换输出速率，输出速率相对较低，但也能
满足项目基本需要。参考A/D模块的典型设计原理图进行设计，A/D模块的电
路原理图设计如图3-6所示。

2万 · 2019-5-4 22:38

扭矩传感器正负电源分别采用++1 OV和一SV。在初次使用SV和GND作为传
感器电源时发现由于扭矩传感器自身灵敏度较高，在使用128增益对扭矩电桥差
分信号进行放大增益时发现存在超量程现象，而使用64倍增益又存在分辨率难
以达到项目需求的困扰，所以采用++1 OV和一SV正负电源且使用64倍增益在满足
A/D转换器对于差分信号引脚电压要求外还可以提高采样数据的分辨率。
在AD电路设计中，在保证原理正确的情况下，把重点放在数字量信号和模
拟量信号之间的干扰上。如图所示，在原理图设计中采用电源隔离的方法，如采
用磁珠隔离VCC和AVCC，同时在PCB设计中数字地和模拟地进行隔离布局，
尽量减少外部信号对于模拟信号的干扰。

2万 · 2019-5-4 22:39

测控系统在进行扭矩控制过程中，除了使用采集扭矩传感器的模拟信号作为
扭矩控制信号，还可以采集电机转动角度信号用以扳手进行螺栓拧紧角度法控制，
在初期实验中采用增量式编码器和霍尔传感器作为角度采集装置，然而在后期安
装装配中难以实现编码器的可靠安装，最终选定采用霍尔传感器作为角度信号输
出装置。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，是一种常见的测量转速
的设备。相对编码器，它具有结构牢固，体积小，重量轻，安装较方便等优点。
在使用前将多块永久磁钢固定在电机转轴的转盘边沿处并在转盘下方安装个霍
尔元件，当电机转轴转动时霍尔器件就会受到磁钢所产生的磁场的影响输出脉冲
信号[[33]。但是受限于机械结构，一般难以放置大量磁钢导致精度较差。

2万 · 2019-5-4 22:40

总体而言，霍尔传感器在控制上基本满足项目功能需求，在实际精度测试中
需求根据实验验证是否能够保证转角法控制的精度，但在底层硬件控制板中留出
编码器接口以供后期升级开发使用。

2万 · 2019-5-4 22:41

DS 1302模块是由美国DALLAS公司出产的一款性能较好的时钟芯片，它可
以较为精确的实现对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，同时该芯片具有闰
年补偿等功能，能满足大多数工业应用需求，由于该芯片具有涓流电流充电能力，
功耗较低，在实际运用中十分广泛}''4}o DS1302芯片的硬件电路图如图3-8所示。

2万 · 2019-5-4 22:49

扭矩传感器正负电源分别采用++1 OV和一SV。在初次使用SV和GND作为传
感器电源时发现由于扭矩传感器自身灵敏度较高，在使用128增益对扭矩电桥差
分信号进行放大增益时发现存在超量程现象，而使用64倍增益又存在分辨率难
以达到项目需求的困扰，所以采用++1 OV和一SV正负电源且使用64倍增益在满足
A/D转换器对于差分信号引脚电压要求外还可以提高采样数据的分辨率。
在AD电路设计中，在保证原理正确的情况下，把重点放在数字量信号和模
拟量信号之间的干扰上。如图所示，在原理图设计中采用电源隔离的方法，如采
用磁珠隔离VCC和AVCC，同时在PCB设计中数字地和模拟地进行隔离布局，
尽量减少外部信号对于模拟信号的干扰。

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