CN107817068B - 一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，该测量装置包括：结构部分和电气部分；结构部分包括：无刷伺服电动机、传动轴、花键、驱动器；无刷伺服电动机和驱动器均通过螺钉固定安装在支架上，花键与无刷伺服电动机通过传动轴连接；测量时，舵机的输出轴与通过花键与测量装置连接；电气部分包括：供电电源、上位机；供电电源为驱动器供电，上位机通过控制驱动器来控制无刷伺服电动机运转。本发明在不降低测量精度和牺牲工艺性的基础上，通过一种直接电流测量方式实时采集舵机传动机构波动力矩，同时具备单、多通道测量和舵机传动机构跑合功能。

Description

一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置

技术领域

本发明涉及舵机波动力矩测量技术领域，尤其涉及一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置。

背景技术

舵机是飞行器飞行控制系统中的典型伺服系统，也飞行器控制系统中的一个重要组成部分，舵机接收弹上计算机的指令信号，驱动舵面实时偏转，从而控制飞行器的正确飞行。舵传动机构是舵机的典型和关键部件，常用在动力源和动作机之间，而传动机构输出力矩中的波动成分将对负载的稳定运行产生直接的影响，进而成为影响飞行器系统精度的重要因素。

在舵机传动机构加工和总装过程中，由于舵机内部结构尺寸加工误差、结构过盈配合、传动间隙、安装偏差等多种因素存在，导致整个传动环节存在波动力矩。波动力矩是衡量舵机性能的一项重要技术指标，也直接影响飞行器的控制精度，因此需要对舵机波动力矩进行准确测量，同时波动力矩的测量也是实现舵机力矩控制、抑制波动力矩的前提。

传统舵机传动机构波动力矩测量装置一般包括人工测量、力矩传感器直接测量装置、平衡式直接测量装置、电流式间接测量四种方法。人工测量主要采用在常温条件下，舵机的输出端安装力矩扳手，通过人工的方式逐渐增加力矩，记录舵机输出端由静止到转动的扭矩值，这种人工测量方式测量的精度和效率受人为因素影响较大，尤其是微小力矩变化难以采集和分辨。力矩传感器直接测量装置是通过安装在舵机输出端上的数字力矩传感器得到舵机波动力矩值，采用这种方式可以通过计算机自动获取舵机波动力矩值。但是力矩传感器直接测量装置需要在安装在舵机和负载之间，影响整个舵机的结构紧凑性，同时引入的力矩传感器将直接降低系统的刚度，使得测量系统实时性变差。另一方面，力矩传感器的采样频带较窄，一般只能测量静态或低速条件下的舵机波动力矩。平衡式直接测量装置采用力矩传感器直接安装在舵机输出端检测波动力矩，同时在力矩传感器的另一端安装惯性飞轮用来减小测量过程中产生的惯性力矩偏差，这种方式有效解决了传感器大量程和传感其高分辨率之间的矛盾。但是这种方式仍然存在系统连接刚度和共振问题，使得测量系统实时性降低，同时引入的惯性飞轮也大大增加了系统的开发成本。电流式间接测量装置不需要外接力矩传感器，而是通过电动舵机动力源—电机的结构参数和一些容易测量的参数，如电压、电流等，基于无刷直流电机力矩产生的机理，通过计算的方式得到电动舵机的波动力矩。采用电流式间接测量装置可以不影响整个电动舵机系统的机构和刚度，具有带宽较宽的优点，而参数辨识等方法的引入，提高了测量的精度。但是电流式间接测量装置需要电动舵机总装(结构总装、电气总装和软件调试)全部完成后，才能进行相应加电测试，无法直接对电动舵机的传动机构部分进行单独测试，在过程中不利于反向作业和结构的调整，工艺性差。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，用以解决人工测量需要人为因素的干扰、力矩传感器直接测量装置和平衡式直接测量装置无法权衡实时性和精确性的问题，以及电流式间接测量工艺性和测试性差等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，该测量装置包括：无刷伺服电动机、传动轴、支架、上位机；

无刷伺服电动机固定安装在支架上，测量时，舵机的输出轴通过传动轴与无刷伺服电动机连接；

上位机控制无刷伺服电动机的转动，实时检测无刷伺服电动机的电流值，并通过计算得到舵机的波动力矩。

该测量装置还包括：供电电源、花键、驱动器；

驱动器固定安装在支架上，上位机通过控制驱动器来控制无刷伺服电动机的转动；

供电电源为驱动器供电；

花键设置在传动轴上，舵机的输出轴与通过花键连接。

支架为竖直的梯形平板，且下端设有底座与地轨滑动连接，能够沿地轨滑动，地轨的方向垂直于支架所在平面；

支架的梯形平板的两面与底座之间均设有肋板。

测量装置包括2组支架，每组支架包括2个支架，且2个支架共用1个地轨；

2组支架使用的地轨相互垂直安装并固定在测试台上。

无刷伺服电动机的输出轴与支架的梯形平板垂直；

无刷伺服电动机的输出轴穿过支架的梯形平板，并与传动轴固定连接；花键与传动轴固定连接；无刷伺服电动机的输出轴、传动轴、花键，共同旋转，且花键与被测舵机连接；

每组支架上各自的花键相向安装。

驱动器与无刷伺服电动机分别安装在支架的梯形平板的两面；

驱动器紧靠支架的一面设有电气插座，支架的梯形平板对应电气插座的位置设有通孔，电气插头能够穿过通孔与电气插座连接；

电气插座包括：电源插座、USB插座、CAN插座。

4个驱动器包括1个主驱动器、3个副驱动器，主驱动器通过CAN网电缆与副驱动器电气连接，实现数据通信；

每个驱动器用过电机电缆与安装在同一支架上的无刷伺服电动机电气连接；

当测量装置测量单输出的舵机时，舵机的输出轴与主驱动器对应的无刷伺服电动机连接的花键连接；

当测量装置测量多输出的舵机时，舵机的各个输出轴分别与主驱动器和副驱动器对应的无刷伺服电动机连接的花键连接。

上位机通过USB电缆与主驱动器实现电气连接；

供电电源与每个驱动器均连接，并为每个驱动器提供48V电源。

测量装置能够测量舵机的力矩波动，测量方法为：

调整支架的位置，连接舵机的输出轴和花键，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器，上位机通过USB电缆实时检测无刷伺服电机的电流值，并通过计算得到舵机的波动力矩，最后将测量数据保存至上位机，作为修正舵机对应系统的依据。

测量装置能够用来跑和舵机，跑和方法为：

调整支架的位置，连接舵机的输出轴和花键，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器，上位机通过USB向驱动器发送跑合指令,驱动器之间通过CAN网电缆实现相互数据通讯，驱动器带动无刷伺服电动机旋转响应跑合指令，无刷伺服电动机实时反馈位置信息，实现整个舵传动机构的跑合功能。

本发明有益效果如下：

1、本发明采用对无刷伺服电动机电流的测量，来计算舵机的波动力矩，避免了人为因素的干扰，使得测量结果更加准确；

2、本发明通过无刷伺服电动机电流来计算舵机的波动力矩，避免了直接使用力矩传感器，保证了整个舵机的结构紧凑性和系统的刚度；

3、本发明通过上位机实时采集无刷伺服电动机电流，并计算记录测量结果，能够实时反映舵机的波动力矩的变化，使得测量结果的实时性大大提高；

4、使用本发明测量时，仅仅需要将舵机与本发明的测量装置连接，即可测量，无需结构总装、电气总装、软件调试等过程，相对传统的电流式测量方法，大大简化了测量的工序，节省了人力物力，并可通过测量结果知指导结构总装、电气总装的过程；

5、本发明还能通过无刷伺服电动机带动跑和舵机，在航空航天某些特定领域(如弹上伺服系统)具有现实的应用价值，而且多通道的特点使得本发明对舵机的普适性更高，进一步提高了本发明的应用价值。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置的支架和支架上安装设备的侧视图；

图2为一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置的支架和支架上安装设备的正视图；

图3为一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置的整体结构示意图；

图4为一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置的电气结构连接示意图；

图中：1-无刷伺服电动机、2-驱动器、3-传动轴、4-花键、5-支架、6-地轨、7-过线孔、8-电气插座。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，测量装置包括：结构部分和电气部分；

结构部分包括：无刷伺服电动机1、传动轴3、花键4、驱动器2；

无刷伺服电动机1和驱动器2均通过螺钉固定安装在支架5上，花键4与无刷伺服电动机1通过传动轴3连接；测量时，舵机的输出轴与通过花键4与测量装置连接；

电气部分包括：供电电源、上位机；

供电电源为驱动器2供电，上位机通过控制驱动器2来控制无刷伺服电动机1运转。

支架5为竖直的梯形平板，且下端设有底座与地轨6滑动连接，能够沿地轨6滑动，地轨6的方向垂直于支架5所在平面；

支架5的梯形平板的两面与底座之间均设有肋板。

测量装置包括2组支架5，每组支架5包括2个支架5，且2个支架5共用1个地轨6；

2组支架5使用的地轨6相互垂直安装并固定在测试台上；

地轨6上有螺钉固定槽，支架5的底座设有螺钉固定口，使用螺栓穿过螺钉固定槽和螺钉固定口，来固定支架5和地轨6的相对位置。

无刷伺服电动机1的输出轴与支架5的梯形平板垂直；

无刷伺服电动机1的输出轴穿过支架5的梯形平板，并与传动轴3固定连接；花键4与传动轴3固定连接；无刷伺服电动机1的输出轴、传动轴3、花键4，共同旋转，且花键4与被测舵机连接；

每组支架5上各自的花键4相向安装。

驱动器2与无刷伺服电动机1分别安装在支架5的梯形平板的两面；

驱动器2紧靠支架5的一面设有电气插座8，支架5的梯形平板对应电气插座8的位置设有通孔，电气插头能够穿过通孔与电气插座8连接；

电气插座8包括：电源插座、USB插座、CAN插座；

电源插座同来连接供电电缆，USB插座用来连接USB电缆，CAN插座用来连接CAN网电缆。

驱动器2包括：驱动器Ⅰ、驱动器Ⅱ、驱动器Ⅲ、驱动器Ⅳ；4个驱动器2中：驱动器Ⅰ为主驱动器，驱动器Ⅱ、驱动器Ⅲ、驱动器Ⅳ为副驱动器，主驱动器通过CAN网电缆与副驱动器电气连接，实现数据通信；

每个驱动器2用过电机电缆与安装在同一支架5上的无刷伺服电动机1电气连接，电机电缆穿过支架5上的过线孔7；

当测量装置测量单输出的舵机时，舵机的输出轴与主驱动器对应的无刷伺服电动机1连接的花键4连接；

当测量装置测量多输出的舵机时，舵机的各个输出轴分别与主驱动器和副驱动器对应的无刷伺服电动机1连接的花键4连接。

上位机通过USB电缆与主驱动器实现电气连接；

供电电源与每个驱动器2均连接，并为每个驱动器2提供48V电源。

测量装置能够测量舵机的力矩波动，测量方法为：

调整支架5的位置，连接舵机的输出轴和花键4，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器2，上位机通过USB电缆实时检测无刷伺服电机1的电流值，并通过计算得到舵机的波动力矩，最后将测量数据保存至上位机，作为修正舵机对应系统的依据。

测量装置能够用来跑和舵机，跑和方法为：

调整支架5的位置，连接舵机的输出轴和花键4，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器2，上位机通过USB向驱动器2发送跑合指令,驱动器2之间通过CAN网电缆实现相互数据通讯，驱动器2带动无刷伺服电动机1旋转响应跑合指令，无刷伺服电动机1实时反馈位置信息，实现整个舵传动机构的跑合功能。

综上所述，本发明实施例提供了一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，本发明采用对无刷伺服电动机电流的测量，来计算舵机的波动力矩，避免了人为因素的干扰，使得测量结果更加准确，避免了直接使用力矩传感器，保证了整个舵机的结构紧凑性和系统的刚度；本发明通过上位机实时采集无刷伺服电动机电流，并计算记录测量结果，能够实时反映舵机的波动力矩的变化，使得测量结果的实时性大大提高；使用本发明测量时，仅仅需要将舵机与本发明的测量装置连接，即可测量，无需结构总装、电气总装、软件调试等过程，相对传统的电流式测量方法，大大简化了测量的工序，节省了人力物力，并可通过测量结果知指导结构总装、电气总装的过程；本发明还能通过无刷伺服电动机带动跑和舵机，在航空航天某些特定领域(如弹上伺服系统)具有现实的应用价值，而且多通道的特点使得本发明对舵机的普适性更高，进一步提高了本发明的应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多通道舵传动机构力矩波动测量装置，其特征在于，该测量装置包括：无刷伺服电动机(1)、传动轴(3)、支架(5)、上位机；

所述无刷伺服电动机(1)固定安装在所述支架(5)上，测量时，舵机的输出轴通过传动轴(3)与所述无刷伺服电动机(1)连接；

所述上位机控制所述无刷伺服电动机(1)的转动，实时检测所述无刷伺服电动机(1)的电流值，并通过计算得到舵机的波动力矩；

所述测量装置能够测量舵机的力矩波动，测量方法为：

调整支架(5)的位置，连接舵机的输出轴和花键(4)，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器(2)，上位机通过USB电缆实时检测无刷伺服电动 机(1)的电流值，并通过计算得到舵机的波动力矩，最后将测量数据保存至上位机，作为修正舵机对应系统的依据；

所述测量装置能够用来跑和舵机，跑和方法为：

调整支架(5)的位置，连接舵机的输出轴和花键(4)，将供电电源调节至48V供电输出给驱动器(2)，上位机通过USB向驱动器(2)发送跑合指令,驱动器(2)之间通过CAN网电缆实现相互数据通讯，驱动器(2)带动无刷伺服电动机(1)旋转响应跑合指令，无刷伺服电动机(1)实时反馈位置信息，实现整个舵传动机构的跑合功能。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该测量装置还包括：供电电源、花键(4)、驱动器(2)；

所述驱动器(2)固定安装在所述支架(5)上，所述上位机通过控制所述驱动器(2)来控制所述无刷伺服电动机(1)的转动；

所述供电电源为所述驱动器(2)供电；

所述花键(4)设置在所述传动轴(3)上，所述舵机的输出轴与所述传动轴 (3) 通过花键(4)连接。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述支架(5)为竖直的梯形平板，且下端设有底座与地轨(6)滑动连接，能够沿所述地轨(6)滑动，所述地轨(6)的方向垂直于所述支架(5)所在平面；

所述支架(5)的梯形平板的两面与底座之间均设有肋板。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括2组所述支架(5)，每组所述支架(5)包括2个所述支架(5)，且2个所述支架(5)共用1个所述地轨(6)；

2组所述支架(5)使用的所述地轨(6)相互垂直安装并固定在测试台上。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述无刷伺服电动机(1)的输出轴与所述支架(5)的梯形平板垂直；

所述无刷伺服电动机(1)的输出轴穿过所述支架(5)的梯形平板，并与所述传动轴(3)固定连接；所述花键(4)与传动轴(3)固定连接；所述无刷伺服电动机(1)的输出轴、传动轴(3)、花键(4)，共同旋转，且所述花键(4)与被测舵机连接；

每组所述支架(5)上各自的所述花键(4)相向安装。

6.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述驱动器(2)与无刷伺服电动机(1)分别安装在所述支架(5)的梯形平板的两面；

所述驱动器(2)紧靠所述支架(5)的一面设有电气插座(8)，所述支架(5)的梯形平板对应电气插座(8)的位置设有通孔，电气插头能够穿过通孔与所述电气插座(8)连接；

所述电气插座(8)包括：电源插座、USB插座、CAN插座。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，4个所述驱动器(2)包括1个主驱动器、3个副驱动器，所述主驱动器通过CAN网电缆与所述副驱动器电气连接，实现数据通信；

每个所述驱动器(2)用过电机电缆与安装在同一支架(5)上的无刷伺服电动机(1)电气连接；

当所述测量装置测量单输出的舵机时，舵机的输出轴与所述主驱动器对应的无刷伺服电动机(1)连接的花键(4)连接；

当所述测量装置测量多输出的舵机时，舵机的各个输出轴分别与所述主驱动器和副驱动器对应的无刷伺服电动机(1)连接的花键(4)连接。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述上位机通过USB电缆与所述主驱动器实现电气连接；

所述供电电源与每个所述驱动器(2)均连接，并为每个所述驱动器(2)提供48V电源。

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