CN102435944B - 直线电机力特性测试方法 - Google Patents

Abstract

直线电机力特性测试方法。它涉及电机测试技术领域，并针对目前各种直线电机测试装置存在的主要问题。拉压力传感器用于测试被测直线电机的输出力，还用于测试施加于被测直线电机的动子上的力；滚珠丝杠用于将加载伺服电机的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠包括螺母、螺杆和固定支架；加载伺服电机用于驱动滚珠丝杠的螺杆，使所述的滚珠丝杠的螺杆旋转并拖动滚珠丝杠的螺母做直线运动；底座用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠的固定支架，使滚珠丝杠的螺母驱动的被测直线电机的动子与固定在底座上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，导轨用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座上沿电机动子运动方向运动；位移传感器用于测量被测直线电机的动子的位移。

Description

直线电机力特性测试方法

技术领域

本发明涉及电机测试技术领域。

背景技术

在现代加工工业领域，诸如激光切割、高速磨床、精密车床、加工中心等很多场合都需要高速度高精度的直线运动，而传统的方法只能借助于旋转电动机和滚珠丝杆等中间环节来获得直线运动，这就不可避免地存在惯性大、摩擦大、有反向间隙等缺点。

近年来，随着直线电机技术的进步，越来越多的场合开始直接应用它来获得直线运动。由于采用直接驱动技术，直线电机具有速度快、加速度高、定位精度高、行程长和动态响应快等优点，而这恰恰满足了高速精密加工技术的要求。

但是，针对系统需求研制开发或购买的直线电机性能以及特性是否满足要求，如何对直线电机系统性能作出正确、客观的评价，都需要有成熟的直线电机系统测试设备来完成。

已有的直线电机推力加载测试装置如图3所示，该装置由系统平台、直线电机的动子、直线电机的定子、滑轮、传动绳以及砝码组成。通过滑轮和传动绳，把砝码的自身重量加到直线电机的动子上，形成单方向的拉力加载到直线电机上。不断增加砝码的重量，当直线电机开始匀速运动时，直线电机的制动力等于砝码的重量，既而获得直线电机的最大静态力。但是，该测试装置存在如下缺点：（1）测试加载推力时，只能进行单方向、单程测量，不适合短行程直线电机测试；（2）加载力不能连续变化，只能通过添加或减少砝码来改变负载；（3）加速时由于需要克服砝码的加速度，加速段无法测量，只能测量匀速状态，且测试时间长；（4）系统采用传动绳，加载时产生形变，运动时会产生较大的推力扰动，从而影响测试精度；（5）测量过程复杂，测试精度低；（6）测试参数单一，只能对直线电机静态力进行测量；（7）只能对静态参数进行测试，无法完成系统性能动态性能、特性测试。

发明内容

针对目前各种直线电机测试装置存在的主要问题，本发明提出一种直线电机力特性测试方法。

直线电机力特性测试装置它包括拉压力传感器、滚珠丝杠、加载伺服电机、底座、导轨和位移传感器；

拉压力传感器，拉压力传感器位于滚珠丝杠的螺母与被测直线电机的动子之间，用于测试施加于被测直线电机的动子上的力，即测试被测直线电机的输出力；

滚珠丝杠，用于将加载伺服电机的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠的螺杆与加载伺服电机的转子同轴连接，滚珠丝杠包括螺母、螺杆和固定支架；

加载伺服电机，用于驱动滚珠丝杠的螺杆旋转，使所述的滚珠丝杠的螺杆旋转并拖动滚珠丝杠的螺母做直线运动，滚珠丝杠的螺母驱动被测直线电机的动子做直线运动；

底座，用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠的固定支架，使滚珠丝杠的螺母驱动的被测直线电机的动子与固定在底座上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，

导轨，用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座上沿电机动子运动方向运动；

位移传感器，用于测量被测直线电机的动子的位移。

采用上述直线电机力特性测试装置实现直线电机的力特性测试方法为测试定位力的方法：首先，使被测直线电机的绕组处于开路状态，然后，采用加载伺服电机通过滚珠丝杠拖动被测直线电机的动子做匀速运动，其速度v≤.m/s；在被测直线电机匀速运动过程中，从位移传感器读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器的读数；最后，把记录的所有各位置拉压力传感器的读数数据求平均值，再用各位置的拉压力传感器的读数值减去所述的平均值，即可得到与各位置对应的定位力。

采用上述直线电机力特性测试装置实现直线电机力特性测试方法为测试静推力、推力线性度与推力系数的方法：首先，给被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，然后，采用加载伺服电机通过滚珠丝杠拖动被测直线电机的动子做步进运动；在被测直线电机的动子步进运动过程中，从位移传感器读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器的读数，即可得到与各位置对应的静推力值F_max1；通过改变被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，得到不同电流下的直线电机静推力曲线，再根据静推力曲线确定直线电机的推力线性度；同时，计算得到被测直线电机的推力系数：

$K_F=\frac{\sqrt{3}{F}_{\max 1}}{\sqrt{2}{I}_1}$

采用上述直线电机力特性测试装置实现直线电机力特性测试方法为测试方法为测试推力及推力波动的方法：首先将被测直线电机设置为推力控制模式，加载伺服电机设置为速度控制模式，即工作在发电制动状态；然后，使被测直线电机稳定运行在各个不同速度点上，加载伺服电机通过滚珠丝杠对被测直线电机施加制动力，用拉压力传感器连续测量并记录被测直线电机整个行程中的输出推力；同时，记录最大推力F_max和最小推力F_min，最大推力F_max和最小推力F_min为瞬态值，用下式计算推力波动率：

$F(\%)=\frac{F_{\max }-F_{\min }}{F_{\max }+F_{\min }}\×100\%$

本发明的主要优点：（1）本发明测试装置可以为直线电机提供与动子运动方向相反的制动力，实现双向测试；（2）本发明测试装置采用伺服电机驱动滚珠丝杠副对直线电机进行加载，同时，采用惯性飞轮来平滑伺服电机的速度，抑制其速度波动，加载力可以在直线电机运动过程中连续调节，且从根本上抑制了加载力波动，提高了系统测试精度；（3）本发明装置结构简单，成本，操作方便、可靠性高；（4）本发明测试装置可以实现对直线电机的定位力、静推力、动态推力、推力波动、推力系数、推力线性度等多项参数进行测试，系统的性能高、功能齐全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是压力传感器1、滚珠丝杠2和加载伺服电机3连接的结构示意图，图3是已有的直线电机推力加载测试装置结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中直线电机力特性测试装置包括拉压力传感器1、滚珠丝杠2、加载伺服电机3、底座4、导轨5和位移传感器6；

拉压力传感器1，拉压力传感器1的两端分别连接在滚珠丝杠2的螺母21与被测直线电机的动子之间，用于测试施加于被测直线电机的动子上的力，即测试被测直线电机的输出力；

滚珠丝杠2，用于将加载伺服电机3的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠2的螺杆22与加载伺服电机3的转子同轴连接，滚珠丝杠2包括螺母21、螺杆22和固定支架23；

加载伺服电机3，用于驱动滚珠丝杠2的螺杆22旋转，使所述的滚珠丝杠2的螺杆22旋转并拖动滚珠丝杠2的螺母21做直线运动，滚珠丝杠2的螺母21驱动被测直线电机的动子做直线运动；

底座4，用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠2的固定支架23，使滚珠丝杠2的螺母21驱动的被测直线电机的动子与固定在底座4上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，

导轨5，用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座4上沿电机动子运动方向运动；

位移传感器6，用于测量被测直线电机的动子的位移。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于它还包括惯性飞轮7，所述的惯性飞轮7位于加载伺服电机3上，用于减少机械运转过程的速度波动。惯性飞轮7安装在滚珠丝杠2的螺杆22与加载伺服电机3的转子的转轴上，并且在惯性飞轮7与加载伺服电机之间有电磁离合器、磁力耦合器或力矩限制器。当转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于底座4具有长方形凹槽41，被测直线电机的定子固定在长方形凹槽41内，所述长方形凹槽41两侧的台肩上分别设置有导轨5，所述导轨5的导件设置在被测直线电机的动子底部。被测直线电机的动子所采用的导轨为气浮导轨、磁浮导轨或直线滚动导轨。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于加载伺服电机3的定子固定在底座4上。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于位移传感器6采用直线光栅、磁栅或直线旋变以及激光干涉仪。其中位移传感器6采用直线光栅，直线光栅由光栅头61和光栅尺62，光栅尺62设置在长方形凹槽41一侧的台肩上，光栅头61设置在被测直线电机的动子的底部，并且光栅头61位于光栅尺62的正上方，从而产生相对的测量位置关系。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、四或五不同点在于还包括交、直流可编程电源，用于给被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于采用直线电机力特性测试装置测试被测直线电机的定位力的方法：首先，使被测直线电机的绕组处于开路状态，然后，采用加载伺服电机3通过滚珠丝杠2拖动被测直线电机的动子做低速匀速运动，其速度v≤0.001m/s；在被测直线电机匀速运动过程中，从位移传感器6读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器1的读数；最后，把记录的所有各位置拉压力传感器1的读数数据求平均值，再用各位置的拉压力传感器1的读数值减去所述的平均值，即可得到与各位置对应的定位力。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于采用直线电机力特性测试装置测试被测直线电机的静推力、推力线性度与推力系数的方法：首先，给被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，然后，采用加载伺服电机3通过滚珠丝杠2拖动被测直线电机的动子做小步距的步进运动；在被测直线电机的动子步进运动过程中，从位移传感器6读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器1的读数，即可得到与各位置对应的静推力值F_max1；通过改变被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，得到不同电流下的直线电机静推力曲线，再根据静推力曲线确定直线电机的推力线性度；同时，计算得到被测直线电机的推力系数：

$K_F=\frac{\sqrt{3}{F}_{\max 1}}{\sqrt{2}{I}_1}$

。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于采用直线电机力特性测试装置测试被测直线电机的推力及推力波动的方法：首先将被测直线电机设置为推力控制模式，加载伺服电机3设置为速度控制模式，即工作在发电制动状态；然后，使被测直线电机稳定运行在各个不同速度点上，加载伺服电机3通过滚珠丝杠2对被测直线电机施加制动力，用拉压力传感器1连续测量并记录被测直线电机整个行程中的输出推力；同时，记录最大推力F_max和最小推力F_min，最大推力F_max和最小推力F_min为瞬态值，用下式计算推力波动率：

$F(\%)=\frac{F_{\max }-F_{\min }}{F_{\max }+F_{\min }}\×100\%$

。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (3)

1.直线电机力特性测试方法，所述方法是基于下述直线电机力特性测试装置实现的，所述直线电机力特性测试装置包括拉压力传感器(1)、滚珠丝杠(2)、加载伺服电机(3)、底座(4)、导轨(5)和位移传感器(6)；拉压力传感器(1)，拉压力传感器(1)位于滚珠丝杠(2)的螺母(21)与被测直线电机的动子之间，用于测试施加于被测直线电机的动子上的力，即测试被测直线电机的输出力；

滚珠丝杠(2)，用于将加载伺服电机(3)的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠(2)的螺杆(22)与加载伺服电机(3)的转子同轴连接，滚珠丝杠(2)包括螺母(21)、螺杆(22)和固定支架(23)；

加载伺服电机(3)，用于驱动滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转，使所述的滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转并拖动滚珠丝杠(2)的螺母(21)做直线运动，滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动被测直线电机的动子做直线运动；

底座(4)，用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠(2)的固定支架(23)，使滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动的被测直线电机的动子与固定在底座(4)上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，

导轨(5)，用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座(4)上沿电机动子运动方向运动；

位移传感器(6)，用于测量被测直线电机的动子的位移；

其特征在于，所述测试方法为测试被测直线电机的定位力的方法，：

首先，使被测直线电机的绕组处于开路状态，然后，采用加载伺服电机(3)通过滚珠丝杠(2)拖动被测直线电机的动子做匀速运动，其速度v≤0.001m/s；在被测直线电机匀速运动过程中，从位移传感器(6)读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器(1)的读数；最后，把记录的所有各位置拉压力传感器(1)的读数数据求平均值，再用各位置的拉压力传感器(1)的读数值减去所述的平均值，即可得到与各位置对应的定位力。

2.直线电机力特性测试方法，所述方法是基于下述直线电机力特性测试装置实现的，所述直线电机力特性测试装置包括拉压力传感器(1)、滚珠丝杠(2)、加载伺服电机(3)、底座(4)、导轨(5)和位移传感器(6)；拉压力传感器(1)，拉压力传感器(1)位于滚珠丝杠(2)的螺母(21)与被测直线电机的动子之间，用于测试施加于被测直线电机的动子上的力，即测试被测直线电机的输出力；

滚珠丝杠(2)，用于将加载伺服电机(3)的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠(2)的螺杆(22)与加载伺服电机(3)的转子同轴连接，滚珠丝杠(2)包括螺母(21)、螺杆(22)和固定支架(23)；

加载伺服电机(3)，用于驱动滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转，使所述的滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转并拖动滚珠丝杠(2)的螺母(21)做直线运动，滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动被测直线电机的动子做直线运动；

底座(4)，用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠(2)的固定支架(23)，使滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动的被测直线电机的动子与固定在底座(4)上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，

导轨(5)，用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座(4)上沿电机动子运动方向运动；

位移传感器(6)，用于测量被测直线电机的动子的位移；

其特征在于，所述测试方法为测试被测直线电机的静推力、推力线性度与推力系数的方法：

首先，给被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，然后，采用加载伺服电机(3)通过滚珠丝杠(2)拖动被测直线电机的动子做步进运动；在被测直线电机的动子步进运动过程中，从位移传感器(6)读取和记录被测直线电机的动子的运动位置，同时记录动子处于该运动位置时对应的拉压力传感器(1)的读数，即可得到与各位置对应的静推力值F_max1；通过改变被测直线电机的三相绕组中的任意两相中通入直流电流I₁，得到不同电流下的直线电机静推力曲线，再根据静推力曲线确定直线电机的推力线性度；同时，计算得到被测直线电机的推力系数：

$K_F=\frac{\sqrt{3}{F}_{\max 1}}{\sqrt{2}{I}_1}$

。

3.直线电机力特性测试方法，所述测试方法是基于下述直线电机力特性测试装置实现的，所述直线电机力特性测试装置包括拉压力传感器(1)、滚珠丝杠(2)、加载伺服电机(3)、底座(4)、导轨(5)和位移传感器(6)；拉压力传感器(1)，拉压力传感器(1)位于滚珠丝杠(2)的螺母(21)与被测直线电机的动子之间，用于测试施加于被测直线电机的动子上的力，即测试被测直线电机的输出力；

滚珠丝杠(2)，用于将加载伺服电机(3)的回转运动转化为被测直线电机的动子的直线运动；滚珠丝杠(2)的螺杆(22)与加载伺服电机(3)的转子同轴连接，滚珠丝杠(2)包括螺母(21)、螺杆(22)和固定支架(23)；

加载伺服电机(3)，用于驱动滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转，使所述的滚珠丝杠(2)的螺杆(22)旋转并拖动滚珠丝杠(2)的螺母(21)做直线运动，滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动被测直线电机的动子做直线运动；

底座(4)，用于固定被测直线电机的定子和滚珠丝杠(2)的固定支架(23)，使滚珠丝杠(2)的螺母(21)驱动的被测直线电机的动子与固定在底座(4)上的被测直线电机的定子处于直线电机正常工作状态的位置，

导轨(5)，用于引导和支撑被测直线电机的动子在底座(4)上沿电机动子运动方向运动；

位移传感器(6)，用于测量被测直线电机的动子的位移；

其特征在于，所述测试方法为测试被测直线电机的推力及推力波动的方法，

首先将被测直线电机设置为推力控制模式，加载伺服电机(3)设置为速度控制模式，即工作在发电制动状态；然后，使被测直线电机稳定运行在各个不同速度点上，加载伺服电机(3)通过滚珠丝杠(2)对被测直线电机施加制动力，用拉压力传感器(1)连续测量并记录被测直线电机整个行程中的输出推力；同时，记录最大推力F_max和最小推力F_min，最大推力F_max和最小推力F_min为瞬态值，用下式计算推力波动率：

$F(\%)=\frac{F_{\max }-F_{\min }}{F_{\max }+F_{\min }}\×100\%$

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