CN110018416A - 基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，所述装置包括计算机系统、控制电路、超声电机、超声电机驱动器、光电编码器、扭矩测试装置，其中：计算机系统包含LabVIEW虚拟仪器软件设计平台和数据采集卡；数据采集卡用于控制信号的输出以及光电编码器反馈信号的采集；LabVIEW虚拟仪器平台用于输入控制参数及显示测试结果功能；控制电路用于将数据采集卡发出的控制信号转换为超声电机控制器可识别的控制信号；超声电机驱动器用于驱动超声电机产生转动；光电编码器用于将超声电机的转速转换为电脉冲信号；扭矩测试装置用于测量超声电机的输出扭矩。测量的结果同分立仪器测量结果进行比对，测量结果基本一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机测试装置。
背景技术
在直接驱动、精密驱动及无磁驱动等应用领域，如毫米波通信系统中信号跟踪的航空天线变幅杆、关节驱动、高精度定位云台等，其驱动电机需要具备响应快、输出力矩大以及低能耗锁定等特点。目前采用的是电磁电机加减速器驱动方式，减速器存在回程和传动误差、柔性、非线性摩擦和低阻尼等缺点，这些缺点将影响框架伺服系统的稳定性，降低系统输出速度和位置的精度；电磁电机自身不具备自锁特性，实现锁定往往会伴随能量消耗并使系统复杂化。为满足仪器装置小型和精密化的需求，许多研究人员一直寻求研制更加合适的驱动方式。超声电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是一种应用压电陶瓷材料的逆压电效应，把超声频率的交变电能转换成压电陶瓷的超声振动机械能，并通过摩擦驱动把压电陶瓷的机械振动能转换为运动机械能输出的新型直接驱动电机，是一种新的驱动方式，不受电磁感应理论束缚，具有低速大转矩，不需齿轮箱可直接驱动负载，不受外界磁场干扰，运行无噪声和断电自锁等特性，弥补了传统电机低速不稳定、而高速运行时要采用齿轮减速才能获取低转速等问题。
超声电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、仪器仪表、控制理论等多学科综合交叉发展的产物，许多研究人员对超声电机开展了研究工作，目前出现了较多的成果，但在纵弯复合激励型超声电机领域研究成果很少，在如下关键技术问题需进一步研究：
1、理论问题研究
关于纵弯复合型超声电机的理论研究工作还不完善，大部分复合型超声电机在实验阶段。正确认识定/转子接触界面的摩擦机理、定子振动模态、横向位移分布能更加深入了解电机的传动机理、确定转速、输出转矩等性能参数。模态转换型超声电机理论核心是认识其模态转换机理，这将有助于电机的设计。
2、驱动控制电路的智能化、集成化问题研究
驱动控制电路复杂，这是实现超声电机产业化必须解决的问题，只有实现了电机驱动控制电路的智能化、集成化，才能提高运行性能，减少系统体积和降低产品的成本，也只有这样才能实现超声电机的规模化生产。
3、小型化问题研究
现阶段超声电机通常是夹心式结构，径向尺寸难以变小，导致超声电机不容易小型化。这个问题限制了纵弯复合型超声电机的应用范围，因此有必要设计一种新结构、新原理的纵弯复合型超声电机，使之易于小型化，扩大其应用领域。
发明内容
本发明以纵弯模态转换型行波超声电机为研究对象，提供了一种简单实用多功能的基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，包括计算机系统、控制电路、超声电机、超声电机驱动器、光电编码器、扭矩测试装置，其中：
所述计算机系统包含LabVIEW虚拟仪器软件设计平台和数据采集卡；
所述数据采集卡主要用于控制信号的输出以及光电编码器反馈信号的采集；
所述LabVIEW虚拟仪器平台用于输入控制参数及显示测试结果功能；
所述控制电路用于将数据采集卡发出的控制信号转换为超声电机控制器可识别的控制信号；
所述超声电机驱动器用于驱动超声电机产生转动；
所述光电编码器用于将超声电机的转速转换为电脉冲信号；
所述扭矩测试装置用于测量超声电机的输出扭矩；
所述数据采集卡发出的控制信号包括电压转速关系测量信号、频率转速关系测量信号、负载转速关系测量信号、转速测量信号和扭矩测量信号。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明设计了一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的样机测试装置，建立了电压转速测试、频率转速测试、负载转速测试、转速测量和扭矩测量平台，测量的结果同分立仪器测量结果进行了比对，测量结果基本一致。
2、本发明可以为今后设计新型结构和新型激励原理的超声电机提供一定的理论依据及实用的设计方法，也有助于推动超声电机在工业控制、汽车专用电器、精密仪器仪表、微动平台、空间机器人和航空航天领域的应用，超声电机在直接驱动领域、精密驱动领域和无磁驱动领域具有很好的发展潜力和意义。
附图说明
图1为测试平台组成；
图2为测试平台布局；
图3为主程序流程图；
图4为超声电机测试平台图；
图5为负载转速关系测试程序；
图6为电压转速关系测试程序；
图7为频率转速关系测试程序；
图8为转速测量测试程序；
图9为扭矩测量测试程序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，其包括测试装置硬件组成和软件设计两部分，具体内容如下：
一、测试装置硬件组成
超声电机测试装置的硬件组成及平面布局如图1和图2所示。整个平台主要由计算机系统、控制电路、超声电机、超声电机驱动器、光电编码器、扭矩测试装置等组成，装置实现超声电机速度响应特性、输出扭矩的测试功能。其中，计算机系统包含LabVIEW虚拟仪器软件设计平台和PCI-6221数据采集卡，PCI-6221数据采集卡主要用于控制信号的输出以及光电编码器反馈信号的采集，LabVIEW虚拟仪器平台用于输入控制参数及显示测试结果等功能；控制电路用于将PCI-6221数据采集卡发出的控制信号转换为超声电机控制器可识别的控制信号；超声电机驱动器用于驱动超声电机产生转动；光电编码器用于将超声电机的转速转换为电脉冲信号；扭矩测试装置用于测量超声电机的输出扭矩。
二、测试装置的软件设计：
1、主程序设计
主程序主要包括负载转速关系、电压转速关系、频率转速关系、转速测量和扭矩测量5个部分，主程序流程图如图3所示，电机测试平台界面如图4所示。
2、子程序设计
（1）负载转速关系测试程序
进入子程序后，在参数输入部分输入运行速度、测量次数、当前次数和砝码重量，测量次数表示转速负载曲线上数据点的数量。由于测量过程中需要不断更换不同质量的砝码，因此程序采用手动单次测量、统一输出的方式工作。点击单次测量按钮，开始一次测量，测量到的数据以“当前次数”为序号存入内存当中，如果本次测量的序号与之前已经测量过的序号相同，则本次测量结果覆盖前次测量结果。全部测量次数测量完毕后，点击“输出结果”按钮，绘制电机转速与负载转矩的关系曲线。测试程序如图5所示。
（2）电压转速关系测试程序
进入子程序后，在参数输入部分输入驱动频率、转动方向、电压扫描范围和步进值，点击开始测量按钮，程序按照输入数值计算控制量，通过PCI-6221数据采集卡输出控制量控制电机转动，同时测量当前控制量下的转速，测量完毕后，绘制出电机转速和驱动信号电压的关系曲线。测试程序如图6所示。
（3）频率转速关系测试程序
进入子程序后，在参数输入部分输入驱动电压、转动方向、频率扫描范围和步进值，点击开始测量按钮，程序按照输入数值计算控制量，通过PCI-6221数据采集卡输出控制量控制电机转动，同时测量当前控制量下的转速，测量完毕后，绘制出电机转速和驱动信号频率的关系曲线。测试程序如图7所示。
（4）转速测量测试程序
进入子程序后，在参数输入部分输入驱动电压、频率和相位、负载转矩，点击开始测量按钮，程序按照输入数值计算控制量，通过PCI-6221数据采集卡输出控制量控制电机转动，同时实时测量当前控制量及负载下的转速。测试程序如图8所示。
（5）扭矩测量测试程序
进入子程序后，在参数输入部分输入驱动电压、频率和相位、砝码重量，点击开始测量按钮，程序按照输入数值计算控制量，通过PCI-6221数据采集卡输出控制量控制电机转动，同时监控当前控制量及负载下的转速，当转速达到匀速时，根据当前砝码重量计算扭矩。测试程序如图9所示。
Claims (3)
1.一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，其特征在于所述装置包括计算机系统、控制电路、超声电机、超声电机驱动器、光电编码器、扭矩测试装置，其中：
所述计算机系统包含LabVIEW虚拟仪器软件设计平台和数据采集卡；
所述数据采集卡用于控制信号的输出以及光电编码器反馈信号的采集；
所述LabVIEW虚拟仪器平台用于输入控制参数及显示测试结果功能；
所述控制电路用于将数据采集卡发出的控制信号转换为超声电机控制器可识别的控制信号；
所述超声电机驱动器用于驱动超声电机产生转动；
所述光电编码器用于将超声电机的转速转换为电脉冲信号；
所述扭矩测试装置用于测量超声电机的输出扭矩。
2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，其特征在于所述数据采集卡为PCI-6221数据采集卡。
3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW虚拟仪器平台的超声电机测试装置，其特征在于所述数据采集卡发出的控制信号包括电压转速关系测量信号、频率转速关系测量信号、负载转速关系测量信号、转速测量信号和扭矩测量信号。
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