CN106383002A - 小推力高精度电磁作动器输出力测试系统和方法 - Google Patents

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邓成晨
赵洪波
朱敏
廖鹤
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徐毅
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    • G01L5/0061Force sensors associated with industrial machines or actuators

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Abstract

本发明提供了一种小推力高精度电磁作动器输出力测试系统和方法,包括电磁作动器、单轴气浮台、陀螺仪以及舱体;电磁作动器包括线圈板和磁钢,其中,线圈板位于磁钢的两端之间;陀螺仪设置在舱体上,舱体设置在单轴气浮台上;磁钢固定于墙体上,线圈板固定于舱体平行墙体的侧面上。本发明将对电磁作动器输出力的测试转化为对舱体旋转运动方程的测试,操作简单,测试精度较高,可以应用于极小推力作动器输出力测试中。

Description

小推力高精度电磁作动器输出力测试系统和方法
技术领域
本发明涉及电磁作动器,具体地,涉及小推力高精度电磁作动器输出力测试方法,尤其是一种利用单轴气浮台和高精度陀螺仪测试小推力、高精度电磁作动器输出力精度测试的方法,这种方法适用于极小力或者极大力、精度较高的电磁作动器输出力测试。
背景技术
目前,力的输出精度的测试大多采用高精度力传感器。但是卫星中采用的电磁作动器隔振器输出力极小,达到10-5N量级,目前国内对于这种极小力的测试方法未见报道。本发明的输出力测试方法有以下几个特点:(1)对于极小力测力计测试困难的情况,将对力的测试转化为对力作用对象的测试方法,避免了测力计精度受限的问题;(2)是一种创新性测力方法,其借助于单轴气浮台和高精度陀螺仪,能够测试小推力和高精度的输出,此前未见报道。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种小推力高精度电磁作动器输出力测试方法。
根据本发明提供的一种小推力高精度电磁作动器输出力测试系统,包括电磁作动器、单轴气浮台、陀螺仪以及舱体;
电磁作动器包括线圈板和磁钢,其中,线圈板位于磁钢的两端之间;
陀螺仪设置在舱体上,舱体设置在单轴气浮台上;
磁钢固定于墙体上,线圈板固定于舱体平行墙体的侧面上。
优选地,线圈板中的线圈分为两个方向绕制,磁钢的磁场为匀强磁场,线圈的长度大于磁钢长度。
根据本发明提供的一种小推力高精度电磁作动器输出力测试方法,包括:
搭建步骤:搭建上述的小推力高精度电磁作动器输出力测试系统;
测试步骤:将电磁作动器的推力测试转化为单轴气浮台上舱体的运动测试,通过获取和求解舱体的运动特征,获取电磁作动器的输出力精度。
优选地,所述测试步骤包括:
在线圈板的线圈中通入固定电流,使电磁作动器作用于安装于单轴气浮台的舱体,从而通过测试舱体的运动特征,获得作动器的输出力精度。
优选地,当舱体转动时,通过陀螺仪获取舱体的运动特征。
优选地,所述测试步骤包括:
步骤1:将旋转舱体,使线圈板上的线圈在磁钢的匀强磁场范围内;
步骤2:给电磁作动器加入一恒定电流;
步骤3:松开舱体,使舱体在磁力作用下作匀加速运动,利用陀螺仪得到舱体机械旋转角速度曲线;
步骤4:对舱体机械旋转角速度曲线作差分处理获得舱体运动角加速度信息,根据下式得到F信息,对F求均方差,得到电磁作动器的输出力精度:
F = J d ω d t / L 1
其中,F为电磁作动器输出的作用力,J为舱体的转动惯量,ω为舱体机械旋转角速度,t为时间,L1为F的力臂长度。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明采用一种平板型的电磁作动器,其主要包括:线圈板和磁钢,搭建基于单轴气浮台和高精度陀螺仪的输出力测试平台,将电磁作动器的磁钢安装于墙体上,线圈板安装于舱体A面,舱体置于单轴气浮台。令线圈板中心处于磁钢中心位置处。本发明利用舱体、单轴气浮台和高精度陀螺,将对电磁作动器输出力的测试转化为对舱体旋转运动方程的测试,操作简单,测试精度较高,可以应用于极小推力作动器输出力测试中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为电磁作动器在舱体A面安装位置示意图。
图2为电磁作动器输出力精度测试系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明可以采用平板型的电磁作动器,电磁作动器包括线圈板1和磁钢2,其中,磁钢呈U形延伸,线圈板位于磁钢的两端之间。
如图1所示,将电磁作动器的线圈板固定于舱体A面3的水平中心偏右的位置。
如图2所示,搭建基于单轴气浮台8和高精度陀螺仪7的输出力测试平台。将舱体置于单轴气浮台上,舱体中安装有直流电压源及电压转换模块10、高精度陀螺仪7、工控机6等。将电磁作动器的磁钢2固定于墙体9上,将磁钢与线圈板对接上,并保持舱体A面与墙体平行。
电磁作动器构型:
电磁作动器的高精度力控与高带宽响应主要与电磁作动器的构型相关,工程中,电磁作动器主要有圆柱形和平板形两种构型两种。圆柱形电磁作动器加工较难,线圈散热困难,同时,在有振动时,容易导致碰撞。而平板型电磁作动器加工精度高,印刷电路板走线精度高,输出力精度高。经过优化对比分析,选用磁场均匀性较好,输出力精度高的平板型电磁作动器。
平板型电磁作动器本体分为两个部分:线圈板和磁钢。当向线圈板的线圈中通入一定电流,线圈产生磁场与磁钢磁场相互作用,会使线圈板收到垂直于线圈中电流方向的力,从而使线圈板运动。设计线圈板中线圈分为两个方向绕制,从而可以产生两个方向的力。设计加工磁钢磁场为匀强磁场,同时线圈的长度大于磁钢长度,可以保证线圈在工作范围内,通入电流固定,所受磁力的大小为定值。
电磁作动器输出力测试方法:
由于卫星中使用的电磁作动器输出力极小,目前测力计的测试范围和精度无法满足测试需求,因此,设计了输出力转化测试方法,即通过电磁作动器作用于某一运动物体上,将对电磁作动器输出力的作用转化为其作用对象的运动特征,从而推到出输出力的大小和精度。由上述可知电磁作动器工作原理是电磁反应原理,分析需要,假定电机机械加工无瑕疵,且不考虑各种损耗的影响,此时电磁作动器电磁转矩方程为:
T=FgL1
其中,T为电磁作动器输出转矩(N·m);F为电磁作动器输出作用力(N);L1为电磁作动器对舱体作用力F的力臂长度(m);
电磁作动器运动方程为:
T = J d ω d t
其中,ω为舱体机械旋转角速度(rad/s);J为舱体的转动惯量(kg·m2);t为时间(s)。
由上式可得:
F = J d ω d t / L 1
其中,ω的曲线利用高精度陀螺仪的输出曲线获得,陀螺仪的输出精度达到10-5量级,满足小推力测试的要求,舱体的转动惯量J可以利用飞轮动量互换法获得,L1在安装完成后为一固定值,从而可以计算出电磁作动器力的输出。
基于单轴气浮台和高精度陀螺仪的电磁作动器输出力测试平台:
将电磁作动器的磁钢固定于墙体上,将电磁作动器线圈部分固定于舱体A面的水平中心偏右的位置如图所示,将磁钢与线圈对上,并保持舱体A面与墙体平行。具体安放位置如图2所示。
具体实施步骤如下:
步骤一,搭建如图2所示实验平台,并将舱体转至一边(确保线圈板上的线圈在匀强磁场范围内即可);
步骤二,打开单轴气浮台上直流电源,给电磁作动器、陀螺仪和工控机供电;
步骤三,通过电磁作动器配套的数据处理电路板;给电磁作动器加入一恒定电流,为了降低空气粘滞及机械粘滞效应的影响,一般取电流为允许范围内较大值;
步骤四,松开舱体,使其在电磁力作用下作匀加速运动,同时利用陀螺仪和工控机记录舱体旋转角速度的曲线;
步骤五,对舱体角速度曲线作差分处理获得舱体运动角加速度信息,根据下式可以得到F信息。对F求均方差,可以得到电磁作动器的输出力精度。
F = J d ω d t / L 1
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种小推力高精度电磁作动器输出力测试系统,其特征在于,包括电磁作动器、单轴气浮台、陀螺仪以及舱体;
电磁作动器包括线圈板和磁钢,其中,线圈板位于磁钢的两端之间;
陀螺仪设置在舱体上,舱体设置在单轴气浮台上;
磁钢固定于墙体上,线圈板固定于舱体平行墙体的侧面上。
2.根据权利要求1所述的小推力高精度电磁作动器输出力测试系统,其特征在于,线圈板中的线圈分为两个方向绕制,磁钢的磁场为匀强磁场,线圈的长度大于磁钢长度。
3.一种小推力高精度电磁作动器输出力测试方法,其特征在于,包括:
搭建步骤:搭建权利要求1或2所述的小推力高精度电磁作动器输出力测试系统;
测试步骤:将电磁作动器的推力测试转化为单轴气浮台上舱体的运动测试,通过获取和求解舱体的运动特征,获取电磁作动器的输出力精度。
4.根据权利要求3所述的小推力高精度电磁作动器输出力测试方法,其特征在于,所述测试步骤包括:
在线圈板的线圈中通入固定电流,使电磁作动器作用于安装于单轴气浮台的舱体,从而通过测试舱体的运动特征,获得作动器的输出力精度。
5.根据权利要求4所述的小推力高精度电磁作动器输出力测试系统,其特征在于,当舱体转动时,通过陀螺仪获取舱体的运动特征。
6.根据权利要求3所述的小推力高精度电磁作动器输出力测试系统,其特征在于,所述测试步骤包括:
步骤1:将旋转舱体,使线圈板上的线圈在磁钢的匀强磁场范围内;
步骤2:给电磁作动器加入一恒定电流;
步骤3:松开舱体,使舱体在磁力作用下作匀加速运动,利用陀螺仪得到舱体机械旋转角速度曲线;
步骤4:对舱体机械旋转角速度曲线作差分处理获得舱体运动角加速度信息,根据下式得到F信息,对F求均方差,得到电磁作动器的输出力精度:
F = J d ω d t / L 1
其中,F为电磁作动器输出的作用力,J为舱体的转动惯量,ω为舱体机械旋转角速度,t为时间,L1为F的力臂长度。
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