CN106019149B - 一种步进电机力矩加载装置及加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种步进电机力矩加载装置及加载方法，包括磁粉制动器和电气控制部分，还包括转矩转速传感器、角度编码器、辅助电机、试验台，磁粉制动器通过刚性联轴器一与转矩转速传感器的一端连接，转矩转速传感器的另一端固定有刚性联轴器二；角度编码器固定在被测步进电机的延长轴上，磁粉制动器和转矩转速传感器固定在滑动板上，滑动板能够在滑轨16上移动，角度编码器、被测步进电机和辅助电机安装在位于试验台上的回转工作台上，回转工作台旋转能够使得刚性联轴器二与被测步进电机的延长轴连接或者与辅助电机的输出轴连接。本发明解决了目前力矩加载装置的加载精度低的技术问题。本发明的磁粉制动器的输出精度大大提高。
Description
技术领域
本发明属于力矩加载技术领域，涉及一种高精度的针对低速运行步进电机的力矩加载装置。
背景技术
步进电机因其具有响应速度灵敏、调速范围宽、无累计误差等优点，已广泛的应用到了航天领域以及其他要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等技术领域。所有航天领域应用的步进电机在投入使用之前需要对产品进行测试，来保证步进电机的性能可以达到指标，这对于飞行器的控制精度及准确性十分重要，是保证航天产品的精度和性能的基础，目前主要采用力矩加载装置对步进电机进行地面的实验仿真。
现有的步进电机的力矩加载装置多采用磁粉制动器作为加载单元，因为磁粉制动器加载具有实时可控性好、简单易行、可以连续加载、远距离加载以及大小功率均可适应等优点，使它在实际生产和试验中得到了广泛的应用。然而由于磁粉制动器具有磁滞非线性特性，使得其加载精度与动态响应存在很大的误差，根据调研和测试，目前采用磁粉制动器的力矩加载装置输出允差在2％左右，使其模拟的力矩环境与实际有较大差距；其次，目前的力矩加载装置只能测量步进电机的转速，对于旋转不足1r/min的步进电机无法测量旋转角度，例如，某型号火箭发动机步进电动机设计转速在1.3r/min，实际旋转角度小于300°，目前的力矩加载装置无法测量到该电机的旋转角度，并且由于步进电机旋转角度小、转速低，磁粉制动器中的磁粉链尚未形成，导致实际加载精度允差远远大于5％。因此，现有的力矩加载装置无法准确模拟低转速步进电机的实际工况，也就不能测试出步进电机的实际性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度的步进电机力矩加载装置及加载方法，解决了目前步进电机力矩加载装置无法测量低转速步进电机转动角度和加载精度低的技术问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种步进电机力矩加载装置，包括磁粉制动器和电气控制部分，其特殊之处在于：还包括转矩转速传感器5、角度编码器8、辅助电机12、试验台17，所述磁粉制动器3通过刚性联轴器一4与转矩转速传感器5的一端连接，转矩转速传感器5的另一端固定有刚性联轴器二6；
所述角度编码器8固定在被测步进电机的延长轴9上，所述磁粉制动器3和转矩转速传感器5固定在滑动板18上，滑动板18能够在设置在试验台17上的滑轨16上移动，角度编码器8、被测步进电机11和辅助电机12安装在位于试验台17上的回转工作台13上，回转工作台13旋转能够使得刚性联轴器二6与被测步进电机的延长轴9连接或者与辅助电机12的输出轴连接。
进一步，有以下改进：
上述电气控制部分包括电气控制柜15以及设置在电气控制柜15内的工控机29、程控电源30、角度数显表31、电参数采集仪32和电机控制器33，所述工控机29通过485通讯线控制程控电源30输出控制电流用以改变磁粉制动器3的输出力矩，工控机29并通过485通讯线控制电机控制器33，工控机29利用485通讯线回采角度数显表31与电参数采集仪32的采集数据，所述试验台17固定在电气控制柜15的上方。
回转工作台13包括转动基座、回转平板、定心轴19以及锁紧部件，所述转动基座固定在实验台17上，被测步进电机11和辅助电机12均固定在回转平板上，定心轴的一端固定在试验台17上，定心轴19的另一端穿过转动基座与回转平板连接，回转平板绕定心轴旋转，所述锁紧部件设置在回转平板上用于到位锁紧。
上述转动基座包括转动底盘22，所述转动底盘固定在试验台17上，
所述回转平板包括平板底盘25、设置平板底盘25上的辅助电机安装槽27和被测电机安装槽28，所述辅助电机固定在辅助电机安装槽27内，被测步进电机固定在被测电机安装槽28内，平板底盘25与定心轴连接；
所述锁紧部件包括设置在转动底盘上的T型安装槽20、设置在平板底盘25上的T型转动槽23和锁紧手柄24，所述锁紧手柄24的一端安装在T型安装槽20内，所述锁紧手柄24另一端在平板底盘25上的T型转动槽23内自由旋转。
锁紧部件还包括设置在平板底盘25上的锥销孔26。
上述转动底盘22设置有固定螺孔，所述转动底盘22通过固定螺母与试验台17连接。
还包括显示组件，所述显示组件包括显示器架和显示器，所述显示器架14固定在电气控制柜侧边，所述显示器固定在显示器架14上。
还包括滑动板驱动机构，所述滑动板驱动机构包括旋转手柄1以及丝杠2，所述旋转手柄1驱动丝杠2带动滑动板18在滑轨16上移动。
步进电机力矩加载方法，包括以下步骤：
1)根据步进电机的输出精度，计算并设置误差阈值；
2)对磁粉制动器3的磁粉进行稳定化、均匀化处理：
旋转回转工作台13，使得刚性联轴器二6与辅助电机12的输出轴连接；利用辅助电机12完成对磁粉制动器3的磁粉稳定化、均匀化处理，在磁粉链形成后，脱开辅助电机12；
3)旋转回转工作台13，使得刚性联轴器二6与被测步进电机11连接；
4)判断磁粉制动器3是否进行过输出力矩-电流关系的标定，若进行过标定，则执行步骤4)；
如未进行过标定，则进行磁粉制动器3的输出力矩与控制电流关系的标定，得到输出力矩T与控制电流I的拟合公式：I＝αT3+βT2+γT+ε，其中；α、β、γ、ε均为已知值；
5)计算理论控制电流：
输入期望磁粉制动器的期望输出力矩，工控机29根据获得的拟合公式计算出应输出的理论控制电流；
6)闭环调节：
工控机29控制程控电源30输出理论控制电流，通过转矩转速传感器5采集磁粉制动器3的实际输出力矩值，判断实际输出力矩与期望输出力矩的差值是否小于误差阈值；
若差值小于误差阈值，则认为实际输出力矩合理，测试继续；
若差值大于误差阈值，则根据差值计算修正电流，根据修正电流对控制电流进行调整，直至实际输出力矩合理。
对磁粉制动器3的进行输出力矩与控制电流关系标定的具体方法为：
程控电源30从0A开始，以固定步长测得一系列控制电流与对应输出力矩的测量数据，采用三阶多项式对测量得到的数据进行拟合，得到电流I与力矩T的拟合公式：I＝αT3+βT2+γT+ε，其中；α、β、γ、ε均为已知值。
本发明的有益效果是：
1、本发明的回转工作台在加载前利用辅助电机完成对磁粉制动器的磁粉稳定性处理，形成磁粉链，在对低速步进电机进行力矩加载时，磁粉制动器的输出精度大大提高。
2、本发明采用角度编码器对步进电机的旋转角度进行测量，解决了目前通用的力矩加载装置无法测量角度的问题。
3、通过实验得到步进电机力矩加载装置的电流与输出力矩的拟合方程，利用标定的拟合方程实现对步进电机力矩加载装置的闭环控制，使得步进电机力矩加载装置的力矩加载精度5％提高到0.5％
附图说明
图1是本发明步进电机力矩加载装置的结构图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明转动基座结构示意图；
图4是本发明回转平板的机构示意图；
图5是本发明电气控制部分示意图；
图6是本发明加载方法流程图
其中附图标记为：1-旋转手柄，2-丝杠，3-磁粉制动器，4-刚性联轴器一，5-转矩转速传感器，6-刚性联轴器二，7-传动轴，8-角度编码器，9-电机延长轴，10-编码器安装支架，11-被测步进电机，12-辅助电机，13-回转工作台，14-显示器架，15-电气控制柜，16-滑轨，17-试验台，18-滑动板，19-定心轴，20-T型安装槽，21-固定螺母，22-转动底盘，23-T型转动槽24-锁紧手柄，25-平板底盘，26-锥销孔，27-辅助电机安装槽，28-被测电机安装槽，29-工控机，30-程控电源，31-角度数显表，32-电参数采集仪，33-电机控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1-图2，一种高精度的步进电机力矩加载装置包括机械连接部分和电气控制部分，机械连接部分安装在试验台17上，试验台17上装有滑轨16和回转工作台13，滑动板18通过螺钉安装在滑轨16上，磁粉制动器3、转矩转速传感器5固定在滑动板18上，磁粉制动器3通过刚性联轴器一4与转矩转速传感器5一端相连，转矩转速传感器5另一端通过刚性联轴器二6与传动轴7相连。滑动板18可以通过旋转手柄1和丝杠2配合在滑轨16上滑动。角度编码器8、被测步进电机11、辅助电机12固定到回转工作台13上，角度编码器8一端与传动轴7相连，另一端通过编码器安装支架10与被测步进电机11的电机延长轴9相连，被测步进电机11位于回转工作台13的一端，辅助电机在回转工作台13的另一端，回转工作台13旋转能够使得刚性联轴器二6与被测步进电机的延长轴9连接或者与辅助电机12的输出轴连接。显示器架14固定到电气控制柜15的侧边。
参照图3-图4，回转工作台13包括定心轴19、锁紧部件、转动基座和回转平板，转动基座固定在实验台17上，被测步进电机11和辅助电机12均固定在回转平板上，定心轴的一端固定在试验台17上，定心轴19的另一端穿过转动基座与回转平板连接，回转平板绕定心轴旋转，锁紧部件设置在回转平板上用于到位锁紧。
具体来说：转动基座包括转动底盘22，转动底盘固定在试验台17上，回转平板包括平板底盘25、设置平板底盘25上的辅助电机安装槽27和被测电机安装槽28，辅助电机固定在辅助电机安装槽27内，被测步进电机固定在被测电机安装槽28内，平板底盘25与定心轴连接；
锁紧部件包括设置在转动底盘上的T型安装槽20、设置在平板底盘25上的T型转动槽23和锁紧手柄24，锁紧手柄24的一端安装在T型安装槽20内，锁紧手柄24另一端在平板底盘25上的T型转动槽23内可自由旋转。
转动基座通过螺钉固定到实验台平板17上，回转平板与转动基座利用定心轴19完成同心装配，利用锁紧手柄24锁紧固定。回转平板中的锁紧手柄24顶部在转T型转动槽23内可自由旋转，旋转到预定位置时，将锁紧手柄24上面的手柄吊紧，锁紧手柄24底部的螺钉部分便在T型安装槽20锁紧固定住，同时，将锥销孔26安装锥销，进一步将回转平板锁紧。转动基座中的T型安装槽20是装置搭建开始前将回转平板中的锁紧手柄24安装进去的槽位，安装完成后，需要利用自制的嵌补件将T型安装槽20补上，防止回转平板转动过程中锁紧手柄24转出T型安装槽20。回转平板上的辅助电机安装槽27用于与辅助电机底座的安装键对接,被测电机安装槽28用于与被测电机底座的安装键对接。
本发明的工作过程：
结合图1-图4，在步进电机力矩加载装置正式加载前，首先断开刚性联轴器二6与传动轴7的连接，利用旋转手柄1和丝杠2配合让滑动板18在滑轨16上移动，向远离回转工作台13的方向移动，将锁紧手柄24放松，旋转回转工作台13上的回转平板旋转180°，将辅助电机12旋转到刚性联轴器二的一端，再利用旋转手柄1和丝杠2配合让滑动板18向辅助电机12的方向移动，将辅助电机12的输出轴与刚性联轴器二连接，此时，角度编码器8和被测步进电机11不参与工作，辅助电机12的转速很高，利用辅助电机12的转动将磁粉制动器3的磁粉转动均匀，形成磁粉链。磁粉制动器3转动均匀后，断开辅助电机12与刚性联轴器二的连接，重新旋转回转工作台13，将被测步进电机11通过传动轴与刚性联轴器二6连接接入力矩加载装置。
参照图5，电气控制部分以工控机29为核心，完成步进电机力矩加载装置的控制、采集、输出等工作，工控机29通过485通讯线与程控电源30、角度数显表31、电参数采集仪32、电机控制器33连接，程控电源30通过电缆与磁粉制动器3的控制端连接，角度数显表31通过电缆与角度编码器8的航插端子连接，电参数采集仪32和电机控制器33通过电缆与被测电机11相连。
结合图5，工控机29通过485通讯线控制程控电源30输出驱动电流，驱动电流经过电缆控制磁粉制动器3输出制动力矩，工控机29在通过485通讯线控制电机控制器33输出控制脉冲送往被测步进电机11，被测步进电机11与磁粉制动器3同轴旋转，转矩转速传感器5采集到当前磁粉制动器3的输出制动力矩值并利用485通讯线送往工控机显示，角度编码器31采集到当前被测步进电机11的旋转角度值和电参数采集仪32采集到的步进电机11的电流、电压等参量值同样通过485通讯线回采至工控机29显示。
如图6所示，本发明涉及的一种高精度的步进电机力矩加载装置在加载前，首先利用辅助电机12完成对磁粉制动器3的磁粉稳定化、均匀化处理，磁粉链形成后，脱开辅助电机12，连接上被测步进电机11，并判断是否进行过输出力矩-电流关系的标定，如果为首次使用或使用时间过长，就需要进行磁粉制动器3的输出力矩与控制电流关系的标定，程控电源30从0A开始，以0.05A为步长测得一系列电流与对应输出力矩的测量数据，采用三阶多项式对测量得到的数据进行拟合，得到控制电流I与输出力矩T的拟合公式：I＝αT3+βT2+γT+ε，其中；α、β、γ、ε均为已知值；在上位机输入期望得到的力矩值，工控机29根据获得的拟合公式计算出应输出的电流值，控制程控电源30输出相应电流值后，通过转矩转速传感器5采集磁粉制动器实际输出的力矩值，判断输出值误差是否小于阈值，小于阈值则认为输出合理，测试继续，若输出值误差大于阈值，则对输出电流值进行修正，修正完成后重新输出电流值，实现了对力矩加载装置输出的闭环控制。
Claims (10)
1.一种步进电机力矩加载装置，包括磁粉制动器和电气控制部分，其特征在于：还包括转矩转速传感器(5)、角度编码器(8)、辅助电机(12)和试验台(17)，所述磁粉制动器(3)通过刚性联轴器一(4)与转矩转速传感器(5)的一端连接，转矩转速传感器(5)的另一端固定有刚性联轴器二(6)；
所述角度编码器(8)固定在被测步进电机的延长轴(9)上，所述磁粉制动器(3)和转矩转速传感器(5)固定在滑动板(18)上，滑动板(18)能够在设置在试验台(17)上的滑轨(16)上移动，角度编码器(8)、被测步进电机(11)和辅助电机(12)安装在位于试验台(17)上的回转工作台(13)上，回转工作台(13)旋转能够使得刚性联轴器二(6)与被测步进电机的延长轴(9)连接或者与辅助电机(12)的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：所述电气控制部分包括电气控制柜(15)以及设置在电气控制柜(15)内的工控机(29)、程控电源(30)、角度数显表(31)、电参数采集仪(32)和电机控制器(33)，所述工控机(29)通过485通讯线控制程控电源(30)输出控制电流用以改变磁粉制动器(3)的输出力矩，工控机(29)并通过485通讯线控制电机控制器(33)，工控机(29)利用485通讯线回采角度数显表(31)与电参数采集仪(32)的采集数据，所述试验台(17)固定在电气控制柜(15)的上方。
3.根据权利要求1或2所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：回转工作台(13)包括转动基座、回转平板、定心轴(19)以及锁紧部件，所述转动基座固定在实验台(17)上，被测步进电机(11)和辅助电机(12)均固定在回转平板上，定心轴的一端固定在试验台(17)上，定心轴(19)的另一端穿过转动基座与回转平板连接，回转平板绕定心轴旋转，所述锁紧部件设置在回转平板上用于到位锁紧。
4.根据权利要求3所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：所述转动基座包括转动底盘(22)，所述转动底盘固定在试验台(17)上，
所述回转平板包括平板底盘(25)、设置平板底盘(25)上的辅助电机安装槽(27)和被测电机安装槽(28)，所述辅助电机固定在辅助电机安装槽(27)内，被测步进电机固定在被测电机安装槽(28)内，平板底盘(25)与定心轴连接；
所述锁紧部件包括设置在转动底盘上的T型安装槽(20)、设置在平板底盘(25)上的T型转动槽(23)和锁紧手柄(24)，所述锁紧手柄(24)的一端安装在T型安装槽(20)内，所述锁紧手柄(24)另一端在平板底盘(25)上的T型转动槽(23)内自由旋转。
5.根据权利要求4所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：锁紧部件还包括设置在平板底盘(25)上的锥销孔(26)。
6.根据权利要求5所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：所述转动底盘(22)设置有固定螺孔，所述转动底盘(22)通过固定螺母与试验台(17)连接。
7.根据权利要求2所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：还包括显示组件，所述显示组件包括显示器架和显示器，所述显示器架(14)固定在电气控制柜侧边，所述显示器固定在显示器架(14)上。
8.根据权利要求7所述的步进电机力矩加载装置，其特征在于：还包括滑动板驱动机构，所述滑动板驱动机构包括旋转手柄(1)以及丝杠(2)，所述旋转手柄(1)驱动丝杠(2)带动滑动板(18)在滑轨(16)上移动。
9.基于权利要求1所述的步进电机力矩加载装置的加载方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据步进电机的输出精度，计算并设置误差阈值；
2)对磁粉制动器(3)的磁粉进行稳定化、均匀化处理：
旋转回转工作台(13)，使得刚性联轴器二(6)与辅助电机(12)的输出轴连接；利用辅助电机(12)完成对磁粉制动器(3)的磁粉稳定化、均匀化处理，在磁粉链形成后，脱开辅助电机(12)；
3)旋转回转工作台(13)，使得刚性联轴器二(6)与被测步进电机(11)连接；
4)判断磁粉制动器(3)是否进行过输出力矩-电流关系的标定，若进行过标定，则执行步骤4)；
如未进行过标定，则进行磁粉制动器(3)的输出力矩与控制电流关系的标定，得到输出力矩T与控制电流I的拟合公式：I＝αT3+βT2+γT+ε，其中；α、β、γ、ε均为已知值；
5)计算理论控制电流：
输入期望磁粉制动器的期望输出力矩，工控机(29)根据获得的拟合公式计算出应输出的理论控制电流；
6)闭环调节：
工控机(29)控制程控电源(30)输出理论控制电流，通过转矩转速传感器(5)采集磁粉制动器(3)的实际输出力矩值，判断实际输出力矩与期望输出力矩的差值是否小于误差阈值；
若差值小于误差阈值，则认为实际输出力矩合理，测试继续；
若差值大于误差阈值，则根据差值计算修正电流，根据修正电流对控制电流进行调整，直至实际输出力矩合理。
10.根据权利要求9所述的步进电机力矩加载方法，其特征在于：
对磁粉制动器(3)的进行输出力矩与控制电流关系标定的具体方法为：
程控电源(30)从0A开始，以固定步长测得一系列控制电流与对应输出力矩的测量数据，采用三阶多项式对测量得到的数据进行拟合，得到电流I与力矩T的拟合公式：I＝αT3+βT2+γT+ε，其中；α、β、γ、ε均为已知值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180914 Termination date: 20210531 |