ONO SOKKI TQ-5300扭矩計算指示器：基于周期運算的高速響應扭矩測量原理

摘要：
隨著新能源汽車驅動電機和高性能動力系統的發展，扭矩測量技術面臨從穩態測量向瞬態波動跟蹤的挑戰。ONO SOKKI（小野測器）推出的TQ-5300扭矩計算指示器，作為與法蘭型高剛性扭矩傳感器配套的核心數據處理單元，通過獨特的周期運算方式，實現了對脈沖信號的高速響應轉換。本文基于技術資料，系統闡述TQ-5300的產品定位、核心工作原理、信號處理流程、多種輸出形式及其在動態扭矩測量中的應用價值。

關鍵詞：扭矩計算指示器；TQ-5300；周期運算方式；高速響應；扭矩測量；小野測器

1. 引言

在發動機、變速箱及驅動電機的研發測試中，扭矩是評價動力性能的核心參數。隨著測試工況從穩態向瞬態轉變，以及電動汽車驅動電機轉速的不斷提升（可達25,000 r/min以上），對扭矩測量系統的響應速度提出了更高要求。傳統的扭矩顯示儀表往往難以捕捉毫秒級變化的扭矩波動。ONO SOKKI TQ-5300扭矩計算指示器正是為解決這一難題而設計，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換為高精度數字扭矩值和高速響應的模擬電壓輸出，成為動力總成測試系統中的關鍵環節。

2. 產品定位與系統組成

TQ-5300是一款專為扭矩測量設計的運算顯示器（Torque Meter），屬于扭矩測量系統的數據處理與顯示單元。它不能獨立工作，必須與以下部件配合構成完整的扭矩測量系統：

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換為頻率信號輸出——無負荷時輸出10 kHz，正向額定扭矩時輸出15 kHz，負向額定扭矩時輸出5 kHz。

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

3. TQ-5300主機：接收扭矩和轉速傳感器的脈沖信號，進行運算處理后實現數字顯示、模擬輸出和數字通信。

3. 核心工作原理：周期運算方式

TQ-5300最核心的技術特征在于其采用的周期運算方式（Periodic Calculation Method），這是實現高速響應模擬信號輸出的關鍵。

3.1 基本原理

與傳統的頻率測量方式不同，周期運算方式不是在一定時間窗口內計數脈沖個數來計算平均頻率，而是對每一個輸入脈沖的周期進行實時測量和轉換。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（1 kHz～25 kHz）被送入TQ-5300的輸入電路。該信號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內部的精密計時電路測量每一個輸入脈沖的周期（即兩個相鄰脈沖之間的時間間隔）。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關系。

3. 實時換算：根據測得的脈沖周期，結合預先設定的傳感器標定系數（容量、因子等），TQ-5300的運算電路立即計算出當前脈沖周期對應的瞬時扭矩值。

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

3.2 響應時間分析

周期運算方式帶來的顯著優勢是極短的響應時間。TQ-5300的模擬輸出響應時間為1個信號周期 + 5 μs以內。

以實際工況為例：

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

• 此時，TQ-5300的響應時間 = 66.7 μs + 5 μs ≈ 71.7 μs。

• 當施加負向額定扭矩時，傳感器輸出頻率為5 kHz，脈沖周期為200 μs，響應時間約為205 μs。

這種響應速度遠快于傳統的積分式頻率計，使得TQ-5300能夠跟蹤扭矩的激烈變化，適用于發動機瞬態工況、變速箱換擋過程、電機轉矩波動等動態測量場景。

4. 信號處理與輸出形式

TQ-5300將輸入的脈沖信號經過周期運算處理后，以多種形式輸出測量結果，滿足不同應用需求。

4.1 數字顯示

前面板配備高亮度數字顯示器，可顯示：

• 單行顯示：僅顯示扭矩值（極性+5位）

• 雙行顯示：同時顯示扭矩值和轉速值
  扭矩顯示精度達到±0.008 %/F.S. ±1計數，轉速顯示精度為顯示值×±0.01% ±1計數。

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.。輸出響應時間即為周期運算時間（1周期+5 μs以內）。

• 轉速模擬輸出：0～±10 V/F.S.，精度±0.3 %/F.S.，響應時間1 ms以內。

• 2通道輸出（選配TQ-0531）：可同時輸出兩路扭矩信號，例如一路用于數據記錄，另一路用于實時控制，各通道可獨立進行低通濾波處理。

4.3 脈沖輸出

將輸入的扭矩傳感器脈沖信號和轉速傳感器脈沖信號經波形整形后原樣輸出，便于接入其他計數設備或數據采集系統。

4.4 數字通信輸出

TQ-5300提供多種數字通信接口選配，實現高精度扭矩測量值的無損輸出：

• RS-232C（TQ-0532）：標準配置，波特率9600/38400 bps

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

• 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. 擴展功能與智能化設計

5.1 多量程測量功能

通過選配TQ-0536多量程對應功能，使用1臺扭矩傳感器即可對應3段不同扭矩容量的測量量程。例如，一臺額定容量200 N·m的傳感器，可通過設定實現0-200 N·m、0-100 N·m、0-50 N·m等多個量程的測量。這一功能避免了根據不同試驗內容頻繁更換傳感器的麻煩，保證了測試系統的一致性。

5.2 比較輸出功能

TQ-5300內置3通道比較器：

• 2通道可自由設定報警閾值（也可用于轉速比較）

• 1通道固定為110%過載報警
  當測量值超過設定值時，通過無電壓觸點輸出報警信號，并可設定內部鎖定功能。

5.3 遙控I/O功能

標準配備遙控輸入輸出接口，支持：

• 輸入：轉向選擇（CW/CCW切換）、扭矩零點修正開始、設定條件切換等

• 輸出：檢測準備完成、比較結果、設定條件確認等

6. 應用價值與結論

ONO SOKKI TQ-5300扭矩計算指示器通過周期運算方式這一核心技術，實現了對扭矩傳感器脈沖信號的高速響應轉換，將模擬輸出的更新時間壓縮至單個脈沖周期級別（數十至數百微秒）。這一技術特性使其能夠精確捕捉發動機、變速箱和驅動電機在瞬態工況下的扭矩波動，為動力系統的性能優化和控制策略開發提供了可靠的數據基礎。

與TQ-2000系列高剛性扭矩傳感器配套使用時，系統整體剛性比傳統產品提升約20倍，高轉速可達25,000 r/min，滿足了EV/HEV驅動電機等高轉速應用場景的測試需求。多量程測量、多種數字通信接口和比較輸出等功能的加入，進一步提升了系統的靈活性和集成度。

作為小野測器扭矩測量產品線中的核心數據處理單元，TQ-5300的技術方案體現了現代測試儀器向高速響應、數字通信、多功能集成方向發展的趨勢，為動力總成測試領域的工程技術人員提供了應對動態扭矩測量挑戰的有效工具。