CN112484633A - 一种测量力矩器线圈正交误差的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量力矩器线圈正交误差的装置及方法，包括待测力矩器外侧圆周方向设有多个力矩器线圈，所述采集板与待测力矩器电连接，所述采集板采集力矩器线圈的感应电压值，所述采集板与编码器电连接，用于采集编码器获取的激磁线圈轴角度值，激磁线圈在待测力矩器内部做旋转运动，当激磁线圈与待测力矩器的一个力矩器线圈的磁轴重合时，力矩器线圈的感应电压值会出现一个峰值，峰值对应的激磁线圈轴角度值被编码器读取，采集板采集编码器读取激磁线圈轴角度值，并输送至主板内，计算得出力矩器线圈的正交误差值。

Description

一种测量力矩器线圈正交误差的装置及方法

技术领域

本发明涉及挠性陀螺的技术领域，具体涉及一种测量力矩器线圈正交误差的装置及方法。

背景技术

现有对挠性陀螺仪力矩器线圈的检测方式，由于受检测手段的影响，大多只包括直流电阻、绝缘电阻、耐压和极性等内容。然而，越来越多的挠性陀螺仪力矩器线圈应用表明，在制造高精度陀螺仪时，必须对挠性陀螺仪力矩器线圈的正交误差提出量化要求，在张爱平，李金城《仪表技术与传感器》2003年第5期的期刊论文中，公开了动力陀螺调谐仪力矩器定圈组件正交性误差检测装置的研制，使用稳定转速的电机，带动永磁体产生旋转磁场，力矩器定子线圈在旋转磁场中产生感应电压信号，信号经检出电路处理后成为4路方波信号，方波信号作为控制同步测量计数器的闸门控制信号。同时电路对感应电压的峰值进行检测，并记录其时刻值。同步测量计数器在方波新号的控制下，对每个周期的感应电压峰值进行计数。

但是，上述期刊论文中交变磁场是由高速旋转的永磁体产生，为达到一定的测量精度，永磁体的转速稳定性需达到0.3%以内，这对电机本身及其控制电路提出了严格的要求，同时，其装置硬件很难实现永磁体的转速稳定性；其次，上述期刊论文中是通过对感应电压峰值的时刻进行记录，对其出现的次数进行计数，最后进行数据处理得出各个线圈的位置，如要实现上述效果，其软件和硬件的采用较多复杂，同时，也延长检查的时间，造成人力和物力的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种结构简单，所需软硬件成本较低，操作简便的测量力矩器线圈正交误差的装置及方法。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种测量力矩器线圈正交误差的装置，包括待测力矩器和伺服电机，所述待测力矩器上连接有编码器，所述待测力矩器内设有与编码器轴连接的激磁芯轴，伺服电机带动激磁芯轴转动，所述激磁芯轴上设有位于所述待测力矩器内侧的激磁线圈，激磁线圈用于产生交变磁场，在待测力矩器外侧圆周方向设有多个力矩器线圈；所述采集板与待测力矩器电连接，所述采集板采集力矩器线圈的感应电压值，所述采集板与编码器电连接，用于采集编码器获取的激磁线圈轴角度值，激磁线圈在待测力矩器内部做旋转运动，当激磁线圈与待测力矩器的一个力矩器线圈的磁轴重合时，力矩器线圈的感应电压值会出现一个峰值，峰值对应的激磁线圈轴角度值被编码器读取，采集板采集编码器读取激磁线圈轴角度值，并输送至主板内，计算得出力矩器线圈的正交误差值。

本方案根据电磁感应原理，当激磁线圈与力矩器线圈磁轴重合时，力矩器线圈输出的感应电压峰峰值达到最大，故可采用激磁线圈的位置来确定力矩器线圈磁轴的位置，进而计算出力矩器线圈的正交误差值；而本方案通过伺服电机带动激磁芯轴转动，其力矩器线圈与激磁线圈为同轴设置，且激磁线圈在待测力矩器内部做旋转运动，这样设计，整个测量力矩器线圈正交误差的装置结构简单，所需软硬件成本较低，同时，通过主板向激磁线圈内通有幅值恒定的激磁电流，使其产生激磁电流，再通过主板带动伺服电机转动，其力矩器线圈的感应电压值随着激磁线圈和力矩器线圈的相对位置而变化，当出现多个峰值，此时，激磁线圈与相应的力矩器线圈的磁轴重合，再通过编码器获取与峰值对应的激磁线圈轴角度值，并输送至采集板内，采集板再将以上数据输送至主板内，通过主板计算得出力矩器线圈的正交误差值，操作简便，对测量环境无特殊要求。

进一步，还包括传送结构，所述传送结构包括与激磁芯轴轴连接的第一带轮，以及与伺服电机的输出轴连接的第二带轮，所述第一带轮与第二带轮之间通过同步带连接。

通过伺服电机带动第二带轮转动，因此，第二带轮的转速是第一带轮的转速的两倍，这样，就使得第一带轮带动激磁芯轴转速低于伺服电机的转速，避免激磁芯轴转速过快，增加采集难度。

进一步，还包括包括安装板，所述安装板一侧上设有用于安装待测力矩器的第一安装孔，所述第一安装孔内从内至外依次安装有轴套、轴承和轴承座，所述轴套与所述编码器的输出轴相连，所述安装板另一侧上设有用于安装伺服电机的第二安装孔。

这样设计，台架用于支撑待测力矩器，同时，通过安装板上的轴套、轴承和轴承座实现对待测力矩器的固定和定位，同时，轴套轴套具有空心结构，便于将激磁线圈的引线从中穿过，防止引线与其余结构件发生干涉。

进一步，所述第一安装孔与所述第一带轮正对设置，所述第二安装孔与所述第二带轮正对设置。能够保证待测力矩器与伺服电机处于同一水平面。

进一步，还包括工装夹具，所述工装夹具包括固定在安装板上的固定座，所述固定座与所述轴承座同轴设置。这样，能够保证编码器与待测力矩器的稳定连接，得到的数据更加准确。

进一步，所述激磁芯轴安装在固定座内，所述激磁芯轴上设有用于固定激磁线圈的线圈压板。通过激磁芯轴和线圈压板的配合，实现对激磁线圈的稳固安装，能够保证检测的数据准确。

一种测量力矩器线圈正交误差的方法，其中，将力矩器线圈设置四个，包括以下步骤：

步骤一：在激磁线圈中通有幅值恒定的激磁电流，同时，通过伺服电机带动激磁芯轴旋转一圈，所述编码器跟随之旋转；

步骤二：所述激磁芯轴旋转同时，通过采集板采集待测力矩器内力矩器线圈的感应电压值，激磁芯轴旋转一圈，力矩器线圈感应电压值出现四个峰值，其激磁线圈与相应的力矩器线圈的磁轴重合，再通过编码器得到与峰值对应的激磁线圈轴角度值，其激磁线圈轴角度值为α₁、α₂、β₁、β₂，编码器将激磁线圈轴角度值发送至采集板内；

步骤三：将上述四个激磁线圈轴角度值α₁、α₂、β₁、β₂通过以下公式，计算出正交误差值：△_xy=（β₁＋β₂－α₁－α₂）÷2－90°。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

本发明构思巧妙，结构简单，通过激磁线圈产生交变磁场，这样，就很容易保证激磁电流频率稳定性在10^-3以内，相对于现有技术中通过永磁体实现转速稳定性，本发明硬件相对简单，且容易实现；同时，本发明测量的原理也不同，在现有技术中通过对感应电压峰值的时刻进行记录，对其出现的次数进行计数，最后进行数据处理得出各个线圈的位置，而本发明仅对力矩器线圈的感应电压峰值进行检测，并记录其时刻，通过编码器输出激磁线圈轴角度值，即为各线圈的角度位置，结构简单、成本低，可靠性高。

附图说明

图1为本发明测量力矩器线圈正交误差的装置的爆炸图；

图2为本发明测量力矩器线圈正交误差的装置中激磁线圈和力矩器线圈安装示意图；

图3为本发明测量力矩器线圈正交误差的装置中激磁线圈和力矩器线圈相对位置示意图；

图4为图3中激磁线圈和力矩器线圈相对位置的俯视图；

图5为本发明测量力矩器线圈正交误差的装置电磁仿真时，在激磁线圈中输入的激磁电流波形；

图6为本发明测量力矩器线圈正交误差的装置电磁仿真时，激磁线圈和力矩器线圈的感应电压波形。

图中：测试箱体1、采集板2、主板3、同步带4、第一带轮5、编码器转子6、第二带轮7、安装板8、电机轴9、伺服电机10、编码器定子11、轴套12、轴承13、轴承座14、激磁芯轴15、固定座16、待测力矩器17、激磁线圈18、线圈压板19、力矩器线圈20。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作其中说明。

本实施例：参见图1至图4，一种测量力矩器线圈正交误差的装置及方法，其中，一种测量力矩器线圈正交误差的装置包括测试箱体1，测试箱体1内设有采集板2、与采集板2电连接的主板3和传送结构，测试箱体1上方设有用于封盖测试箱体1的安装板8，安装板8上开设有第一安装孔和第二安装孔，第一安装孔用于安装待测力矩器17，第二安装孔用于安装伺服电机10，待测力矩器17上连接有编码器，待测力矩器17内设有与编码器轴连接的激磁芯轴15，伺服电机10带动激磁芯轴转动，激磁芯轴15上设有位于待测力矩器17内侧的激磁线圈18，激磁线圈18用于产生交变磁场，激磁线圈18跟随激磁芯轴15转动，待测力矩器17外侧圆周方向设有多个力矩器线圈20；采集板2与待测力矩器17电连接，采集板2采集力矩器线圈20的感应电压值，采集板2与编码器电连接，用于采集编码器获取的激磁线圈18轴角度值，激磁线圈18在待测力矩器17内部做旋转运动，当激磁线圈18与待测力矩器17的一个力矩器线圈20的磁轴重合时，力矩器线圈20的感应电压值会出现一个峰值，峰值对应的激磁线圈18轴角度值被编码器读取，采集板2采集激磁线圈18轴角度值，并输送至主板3内，计算得出力矩器线圈20的正交误差值。

本方案通过测试箱体1用于支撑伺服电机10和待测力矩器17，根据电磁感应原理，当激磁线圈18与力矩器线圈20磁轴重合时，力矩器线圈20输出的感应电压峰峰值达到最大，故可采用激磁线圈18的位置来确定力矩器线圈20磁轴的位置，进而计算出力矩器线圈20的正交误差值；而本方案通过伺服电机10带动激磁芯轴转动，其力矩器线圈20与激磁线圈18为同轴设置，且激磁线圈18在待测力矩器17内部做旋转运动，这样设计，整个测量力矩器线圈20正交误差的装置结构简单，所需软硬件成本较低，同时，通过主板3向激磁线圈18内通有幅值恒定的激磁电流，使其产生激磁电流，再通过主板3下发指令启闭伺服电机10，使得伺服电机10转动，其力矩器线圈20的感应电压值随着激磁线圈18和力矩器线圈20的相对位置而变化，当出现多个峰值，此时，激磁线圈18与相应的力矩器线圈20的磁轴重合，再通过编码器获取与峰值对应的激磁线圈18轴角度值，并输送至采集板2内，采集板2与主板3电连接实现数据的交换，采集板2再将以上数据输送至主板3内，通过主板3计算得出力矩器线圈20的正交误差值，操作简便，对测量环境无特殊要求。

作为优选，主板3与伺服电机10电连接，用于控制伺服电机10启闭，主板3与激磁线圈18电连接，用于产生激磁电流。

这样设计，通过主板3下发指令，驱动伺服电机10旋转，同时，通过主板3与激磁线圈18电连接，实现激磁线圈18同有幅值恒定的激磁电流，操作简单方便。

作为优选，主板3与外部显示设备电连接，用于数据通讯。这样设计，能够通过外部显示设备实时获得力矩器线圈20的正交误差值。

作为优选，还包括传送结构，传送结构包括与激磁芯轴15轴连接的第一带轮5，以及与伺服电机10轴9连接的第二带轮7，第一带轮5与第二带轮7之间通过同步带4连接。

通过伺服电机10带动第二带轮7转动，因此，第二带轮7的转速是第一带轮5的转速的两倍，这样，就使得第一带轮5带动激磁芯轴15转速低于伺服电机10的转速，避免激磁芯轴15转速过快，增加采集难度。

作为优选，第一安装孔内从内至外依次安装有轴套12、轴承13和轴承13座，轴套12与编码器的输出轴相连。

通过安装板8上的轴套12、轴承13和轴承13座实现对待测力矩器17的固定和定位，同时，轴套12具有空心结构，便于将激磁线圈18的引线从中穿过，防止引线与其余结构件发生干涉。

作为优选，第一安装孔与第一带轮5正对设置，第二安装孔与第二带轮7正对设置。能够保证待测力矩器17与伺服电机10处于同一水平面。

作为优选，还包括工装夹具，工装夹具包括固定在安装板8上的固定座16，固定座16与轴承13座同轴设置。这样，能够保证编码器与待测力矩器17的稳定连接，得到的数据更加准确。

作为优选，激磁芯轴15安装在固定座16内，激磁芯轴15上设有用于固定激磁线圈18的线圈压板19。通过激磁芯轴15和线圈压板19的配合，实现对激磁线圈18的稳固安装，能够保证检测的数据准确。

作为优选，编码器包括编码器定子11和编码器转子6，编码器转子6位于编码器转子6的内部。编码器由编码器定子11和编码器转子6两个分部件组成，通过编码器定子11和编码器转子6多极平面绕组的互感随位置变化的电磁感应原理实现高精度角度测量。

其中，在本发明中由轴套12、轴承13和轴承13座组成的轴系，由第一带轮5、第二带轮7和同步带4组成的一级减速传动系，由伺服电机10和电机轴9组成的驱动部件，由编码器定子11和编码器转子6组成的角度传感器，由主板3、采集板2和测试箱体1组成的控制箱。

轴系的固定部分为轴承13座，与其连接的是编码器定子11和固定座16，固定座16用于安装待测力矩器17；轴系的转动部分为轴套12，与其连接的是第一带轮5、编码器转子6以及激磁芯轴15，激磁芯轴15用于安装激磁线圈18。其中，一级减速传动系的第一带轮5和第二带轮7的输出轴分别安装在安装板8的第一安装孔和第二安装孔，轴系安装在第一安装孔内，驱动部件安装在第一安装孔内，最终嵌入安装在控制箱的测试箱体1内，组成完整的力矩器正交误差测量装置。

在本装置中，主板3与伺服电机10电气连接，为其提供驱动电源和控制信号，主板3与激磁线圈18电气连接，为其提供激磁电流，主板3与采集板2电气连接，接受其采集到的电压、轴角度等信号并进行存储和计算，主板3还兼具程控和与外部设备通讯的功能。采集板2与编码器定子11和编码器转子6电气连接，采集编码器输出的轴角度值，采集板2与待测力矩器17的力矩器线圈20电气连接，采集其中产生的感应电压值，并将感应电压值和角度值实时的发送给主板3。

在装置中，待测力矩器17和激磁线圈18同轴安装，其中，待测力矩器17安装在轴系的固定部位，激磁线圈18安装在轴系的转动部位，在伺服电机10的驱动下，激磁线圈18在待测力矩器17内部做旋转运动，旋转的角度值被编码器输出，由于激磁线圈18中有高频的激磁电流，会产生一高频交变的磁场，该交变磁场会在力矩器线圈20中产生相同频率的感应电压，感应电压的幅值与两者线圈的空间角度位置有关，感应电压幅值出现最大值时刻，表明此刻两者线圈的磁轴正对齐，此时编码器输出的角度值即为待测力矩器17中其中一个力矩器线圈20的绝对角度。

参见图4-图6，一种测量力矩器线圈正交误差的方法，其中，将力矩器线圈设置四个，包括以下步骤：

步骤一：在激磁线圈中通有幅值恒定的激磁电流，同时，通过伺服电机带动激磁芯轴旋转一圈，所述编码器跟随之旋转；

步骤二：所述激磁芯轴旋转同时，通过采集板采集待测力矩器内力矩器线圈的感应电压值，激磁芯轴旋转一圈，力矩器线圈感应电压值出现四个峰值，其激磁线圈18与相应的力矩器线圈20的磁轴重合，再通过编码器得到与峰值对应的激磁线圈18轴角度值，其激磁线圈18轴角度值为α₁、α₂、β₁、β₂，编码器将激磁线圈18轴角度值发送至采集板2内；

步骤三：将上述四个激磁线圈18轴角度值α₁、α₂、β₁、β₂通过以下公式，计算出力矩器线圈正交误差值：△_xy=（β₁＋β₂－α₁－α₂）÷2－90°。

本发明构思巧妙，结构简单，通过激磁线圈18产生交变磁场，这样，就很容易保证激磁电流频率稳定性在10^-3以内，相对于现有技术中通过永磁体实现转速稳定性，本发明硬件相对简单，且容易实现；同时，本发明测量的原理也不同，在现有技术中通过对感应电压峰值的时刻进行记录，对其出现的次数进行计数，最后进行数据处理得出各个线圈的位置，而本发明仅对力矩器线圈20的感应电压峰值进行检测，并记录其时刻，通过编码器输出激磁线圈18轴角度值，即为各线圈的角度位置，结构简单、成本低，可靠性高。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，包括待测力矩器（17）和伺服电机（10），所述待测力矩器（17）上连接有编码器，所述待测力矩器（17）内设有与编码器轴连接的激磁芯轴，伺服电机（10）带动激磁芯轴转动，所述激磁芯轴上设有位于所述待测力矩器（17）内侧的激磁线圈，激磁线圈（18）用于产生交变磁场；

在待测力矩器（17）外侧圆周方向设有多个力矩器线圈（20），所述采集板（2）与待测力矩器（17）电连接，所述采集板（2）采集力矩器线圈（20）的感应电压值，所述采集板（2）与编码器电连接，用于采集编码器获取的激磁线圈（18）轴角度值；

激磁线圈（18）在待测力矩器（17）内部做旋转运动，当激磁线圈（18）与待测力矩器（17）的一个力矩器线圈（20）的磁轴重合时，力矩器线圈（20）的感应电压值会出现一个峰值，峰值对应的激磁线圈（18）轴角度值被编码器读取，采集板（2）采集编码器读取的激磁线圈（18）轴角度值，并输送至主板（3）内，计算得出力矩器线圈（20）的正交误差值。

2.根据权利要求1所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，还包括传送结构，所述传送结构包括与激磁芯轴轴连接的第一带轮（5），以及与伺服电机（10）的输出轴连接的第二带轮（7），所述第一带轮（5）与第二带轮（7）之间通过同步带（4）连接。

3.根据权利要求2所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，还包括安装板（8），所述安装板（8）一侧上设有用于安装待测力矩器（17）的第一安装孔，所述第一安装孔内从内至外依次安装有轴套（12）、轴承（13）和轴承座（13），所述轴套（12）与所述编码器的输出轴相连，所述安装板（8）另一侧上设有用于安装伺服电机（10）的第二安装孔。

4.根据权利要求3所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，所述第一安装孔与所述第一带轮（5）正对设置，所述第二安装孔与所述第二带轮（7）正对设置。

5.根据权利要求1所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，还包括工装夹具，所述工装夹具包括固定在安装板（8）上的固定座（16），所述固定座（16）与所述轴承座（13）同轴设置。

6.根据权利要求5所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其特征在于，所述激磁芯轴（15）安装在固定座（16）内，所述激磁芯轴（15）上设有用于固定激磁线圈的线圈压板（19）。

7.一种测量力矩器线圈正交误差的方法，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的测量力矩器线圈正交误差的装置，其中，将力矩器线圈设置四个，其方法包括以下步骤：

步骤一：在激磁线圈（18）中通有幅值恒定的激磁电流，同时，通过伺服电机（10）带动激磁芯轴（15）旋转一圈，所述编码器跟随之旋转；

步骤二：所述激磁芯轴（15）旋转同时，通过采集板（2）采集待测力矩器（17）内力矩器线圈（20）的感应电压值，激磁芯轴（15）旋转一圈，力矩器线圈（20）感应电压值出现四个峰值，其激磁线圈（18）与相应的力矩器线圈（20）的磁轴重合，再通过编码器得到与峰值对应的激磁线圈（18）轴角度值，其激磁线圈（18）轴角度值为α₁、α₂、β₁、β₂，编码器将激磁线圈（18）轴角度值发送至采集板（2）内；

步骤三：将上述四个激磁线圈（18）轴角度值α₁、α₂、β₁、β₂通过以下公式，计算出力矩器线圈正交误差值：△_xy=（β₁＋β₂－α₁－α₂）÷2－90°。

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