RU2813739C1

RU2813739C1 - Device for measuring torque of stepper motor

Info

Publication number: RU2813739C1
Application number: RU2023113264A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Подлевский; Александр Сергеевич Антонов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-02-16

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention can be used to measure torque on a continuously rotating shaft, mainly a stepper motor. The stepper motor under test is installed on the base of the device coaxially with the load stepper motor. In this case, the test motor and the load motor are electrically connected to drivers, which are connected to a two-pole DC power supply and control buses are connected to a programmable microcontroller, connected and controlled by a personal computer. Moreover, the shafts of the test and the load electric motors are mechanically connected to each other through an elastic coupling, the driving and the driven coupling halves of which have angular velocity sensors of the coupling halves, electrically connected by outputs through a logical device with a programmable microcontroller. In this case, the stepper motor under test is connected by the driver to the power source so that the direction of rotation of its shaft coincides with the direction of rotation of the shaft of the load stepper motor.

EFFECT: expansion of the range of powers and rotation frequencies of the tested stepper motors.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу, преимущественно шагового электродвигателя.The invention relates to measuring technology and can be used to measure torque on a continuously rotating shaft, mainly a stepper motor.

Известно устройство для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу электродвигателя, основанное на применении маятникового электромагнитного моментомера с противовесом [патент РФ №2279648, МПК G01L 3/22, опубликовано 10.07.2006, Бюл. №19]A known device for measuring torque on a continuously rotating electric motor shaft, based on the use of a pendulum electromagnetic torque meter with a counterweight [RF patent No. 2279648, IPC G01L 3/22, published 07/10/2006, Bull. No. 19]

Данное устройство ограничено в применении при измерении крутящего момента на непрерывно вращающемся валу электродвигателя на малых угловых скоростях, которые преимущественно используются в работе шаговых электродвигателей.This device is limited in use when measuring torque on a continuously rotating motor shaft at low angular speeds, which are mainly used in the operation of stepper motors.

Известно устройство для измерения крутящего момента на валу, преимущественно шагового электродвигателя, построенное на моделировании ЭДС, напряжения и тока двигателя, формировании времени шага ротора и проведении умножения, интегрирования и других электронно-вычислительных операций позволяющее повысить точность измерения крутящего момента шагового электродвигателя. [А.с. СССР №1107018 МПК G01L 3/10, опубликован 07.08.1984. Бюл. №29]A device is known for measuring torque on a shaft, mainly of a stepper motor, built on modeling the EMF, voltage and current of the motor, forming the rotor step time and carrying out multiplication, integration and other electronic computing operations, which makes it possible to increase the accuracy of measuring the torque of a stepper motor. [A.S. USSR No. 1107018 IPC G01L 3/10, published 08/07/1984. Bull. No. 29]

Данное устройство выгодно использовать при измерении крутящего момента преимущественно микроминиатюрных шаговых электродвигателей.This device is advantageous to use when measuring the torque of mainly microminiature stepper motors.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для снятия начального вращающего момента электродвигателя [А.с. СССР №1695155 МПК G01L 3/10, опубликован 30.11.1991 Бюл. №44], содержащее испытуемый электродвигатель, вал которого при помощи муфты механически связан с нагрузочной машиной, причем испытуемый электродвигатель подключается к сети таким образом, что направление вращения его вала противоположно направлению вращения вала нагрузочной машины, при этом датчик частоты вращения вала нагрузочной машины через счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь связан с системой управления возбуждением нагрузочной машины, тем самым достигается равновесие состояния путем снижения частоты вращения испытуемого двигателя до нуля, что соответствует минимальному пусковому моменту.The closest to the proposed device in technical essence is a device for removing the initial torque of an electric motor [A.s. USSR No. 1695155 IPC G01L 3/10, published 11/30/1991 Bull. No. 44], containing the electric motor under test, the shaft of which is mechanically connected to the load machine by means of a coupling, and the electric motor under test is connected to the network in such a way that the direction of rotation of its shaft is opposite to the direction of rotation of the shaft of the load machine, and the speed sensor of the load machine shaft through a counter pulses and a digital-to-analog converter is connected to the excitation control system of the load machine, thereby achieving state equilibrium by reducing the rotation speed of the tested motor to zero, which corresponds to the minimum starting torque.

Данное устройство не дает преимущества при исследовании и испытании шаговых двигателей в режимах дробления шага на инфранизких частотах вращения вала.This device does not provide an advantage when researching and testing stepper motors in step crushing modes at infra-low shaft speeds.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение области применения устройства для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу преимущественно шаговых электродвигателей.The present invention is aimed at expanding the scope of application of a device for measuring torque on a continuously rotating shaft of predominantly stepper electric motors.

Технический результат заключается в расширении диапазона мощностей и частот вращений испытуемых шаговых электродвигателей за счет использования в качестве нагрузочной машины откалиброванного (с известными нагрузочными характеристиками) шагового электродвигателя, вал которого механически связан с валом испытуемого шагового электродвигателя через упругую муфту, а испытуемый шаговый электродвигатель подключается драйвером к источнику питания так, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя.The technical result consists in expanding the range of powers and rotation frequencies of the tested stepper motors through the use of a calibrated (with known load characteristics) stepper motor as a load machine, the shaft of which is mechanically connected to the shaft of the tested stepper motor through an elastic coupling, and the tested stepper motor is connected by the driver to power source so that the direction of rotation of its shaft coincides with the direction of rotation of the shaft of the load stepper motor.

Технический результат достигается тем, что испытуемый шаговый электродвигатель и нагрузочная машина установлены на основании устройства соосно, валы их механически связаны, а их фазные обмотки через драйверы подключены к двухполюсному источнику питания постоянного тока, входы драйверов шинами управления подключены к выходам программируемого микроконтроллера, связанного шиной управления с компьютером и управляемого им по заданной программе испытаний, устройство дополнительно содержит упругую муфту, ведущая полумуфта которой механически связана с валом испытуемого шагового электродвигателя, а ведомая полумуфта механически связана с валом нагрузочной машины, при этом полумуфты механически связаны между собой упругими элементами, обеспечивающими угловое смещение полумуфт относительно друг друга при нагрузке и оборудованы датчиком угловой скорости ведущей полумуфты и датчиком угловой скорости ведомой полумуфты, выходы которых через логическое устройство электрически связаны с входами программируемого микроконтроллера, при этом, в качестве нагрузочной машины используется откалиброванный шаговый электродвигатель с известными нагрузочными характеристиками, который подключается драйвером к источнику питания в режиме источника тока и микрошаговом режиме, а испытуемый шаговый электродвигатель подключается драйвером к источнику питания таким образом, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя.The technical result is achieved by the fact that the tested stepper motor and the load machine are installed coaxially on the base of the device, their shafts are mechanically connected, and their phase windings are connected through drivers to a bipolar DC power source, the driver inputs are connected by control buses to the outputs of a programmable microcontroller connected by a control bus with a computer and controlled by it according to a given test program, the device additionally contains an elastic coupling, the driving coupling half of which is mechanically connected to the shaft of the stepper motor being tested, and the driven coupling half is mechanically connected to the shaft of the loading machine, while the coupling halves are mechanically connected to each other by elastic elements that provide angular displacement coupling halves relative to each other under load and are equipped with an angular velocity sensor of the driving half-coupling half and an angular velocity sensor of the driven half-coupling half, the outputs of which are electrically connected through a logical device to the inputs of a programmable microcontroller, while a calibrated stepper motor with known load characteristics is used as a load machine, which is connected driver to the power source in current source mode and microstepping mode, and the stepper motor under test is connected by the driver to the power source in such a way that the direction of rotation of its shaft coincides with the direction of rotation of the load stepper motor shaft.

Устройство для измерения крутящего момента шагового электродвигателя схематично представлено на Фиг., где обозначено: 1 - основание устройства; 2 - испытуемый шаговый электродвигатель; 3 - нагрузочный шаговый электродвигатель; 4 - упругая муфта; 5 - ведущая полумуфта; 6 - ведомая полумуфта; 7 - упругие элементы; 8, 9 - датчики угловых скоростей; 10 - логическое устройство; 11,12 - драйверы; 13 - источник питания постоянного тока; 14 - программируемый микроконтроллер; 15 - персональный компьютер.A device for measuring the torque of a stepper motor is shown schematically in Fig., where it is indicated: 1 - base of the device; 2 - tested stepper motor; 3 - load stepper motor; 4 - elastic coupling; 5 - driving coupling half; 6 - driven coupling half; 7 - elastic elements; 8, 9 - angular velocity sensors; 10 - logical device; 11,12 - drivers; 13 - DC power supply; 14 - programmable microcontroller; 15 - personal computer.

Устройство для измерения крутящего момента шагового электродвигателя содержит основание 1 устройства (Фиг.) в котором соосно установлены испытуемый шаговый электродвигатель 2 и нагрузочный шаговый электродвигатель 3, валы которых механически связаны через упругую муфту 4, причем ведущая полумуфта 5 и ведомая полумуфта 6 механически связаны упругими элементами 7 и оборудованы датчиками 8 и 9 угловых скоростей ведущей и ведомой полумуфт соответственно, реализованные по известным техническим решениям, например, оптоэлектронного типа, выходы которых электрически связаны с логическим устройством 10. Электродвигатели 2 и 3 через драйвер И испытуемого шагового электродвигателя и драйвер 12 нагрузочного шагового электродвигателя соответственно связаны электрически с двухполюсным источником питания 13 постоянного тока, при этом драйверы 11 и 12 шинами управления связаны с программируемым микроконтроллером 14, на который поступают сигналы F1 и F2 с выходов логического устройства 10 и который связан шиной управления с компьютером 15, с помощью которого по программе испытаний автоматизируется процесс исследования испытуемого шагового электродвигателя 2.The device for measuring the torque of a stepper motor contains a device base 1 (Fig.) in which the test stepper motor 2 and the load stepper motor 3 are coaxially installed, the shafts of which are mechanically connected through an elastic coupling 4, and the driving half-coupling 5 and the driven half-coupling 6 are mechanically connected by elastic elements 7 and are equipped with sensors 8 and 9 of the angular velocities of the driving and driven coupling halves, respectively, implemented using known technical solutions, for example, of the optoelectronic type, the outputs of which are electrically connected to the logic device 10. Electric motors 2 and 3 through the driver AND of the test stepper motor and the load stepper driver 12 the electric motors are respectively connected electrically to a bipolar DC power supply 13, while the drivers 11 and 12 are connected by control buses to a programmable microcontroller 14, which receives signals F1 and F2 from the outputs of the logical device 10 and which is connected by a control bus to the computer 15, with the help of which According to the test program, the process of studying the tested stepper motor 2 is automated.

Устройство для измерения крутящего момента электродвигателя работает следующим образом. Испытуемый шаговый электродвигатель 2 подключается к источнику питания 13 через драйвер 11 по сигналам управления с микроконтроллера 14 и работает на исследуемой частоте вращения, с требуемым дроблением шага и требуемой величиной тока в фазных обмотках электродвигателя, при которых требуется измерить крутящий момент на непрерывно вращающемся валу испытуемого шагового электродвигателя 2. При этом испытуемый электродвигатель 2 приводит во вращение через ведущую полумуфту 5 и ведомую полумуфту 6 упругой муфты 4 (может быть использована упругая муфта по патенту РФ №195943, МПК F16D 43/208, опубликован 11.02.2020, Бюл. №5) нагрузочный шаговый электродвигатель 3, который некоторое время остается не подключенным к источнику питания, в результате чего электродвигатель 2 и упругая муфта 4 остаются не нагруженными, а полумуфты 5 и 6 вращаются с одинаковой угловой скоростью без углового рассогласования относительно друг друга. Следующим шагом программы испытаний, запущенной компьютером 15 через программируемый микроконтроллер 14, подключается нагрузочный шаговый электродвигатель 3 через драйвер 12 к источнику питания 13 так, что его вал начинает вращаться согласно (в ту же сторону) с испытуемым электродвигателем 2, при этом частота вращения электродвигателя 3 задается равной частоте вращения электродвигателя 2, упругая муфта 4 после запуска электродвигателя 3 остается не нагружена до следующего шага программы испытания. Для плавности хода ротора нагрузочного шагового электродвигателя 3 необходимо использовать драйвер 12 в микрошаговом режиме и режиме источника тока для фазных обмоток нагрузочного электродвигателя 3, при этом его нагрузочные характеристики должны быть известны (откалиброваны) и должны быть выбраны с запасом по моменту и мощности относительно ожидаемых нагрузочных характеристик у испытуемого шагового электродвигателя 2.A device for measuring motor torque operates as follows. The tested stepper motor 2 is connected to the power source 13 through the driver 11 using control signals from the microcontroller 14 and operates at the tested rotation speed, with the required step division and the required current value in the phase windings of the electric motor, at which it is necessary to measure the torque on the continuously rotating shaft of the stepper under test electric motor 2. In this case, the tested electric motor 2 causes rotation through the driving half-coupling 5 and the driven half-coupling 6 of the elastic coupling 4 (an elastic coupling can be used according to RF patent No. 195943, IPC F16D 43/208, published 02/11/2020, Bulletin No. 5) load stepper motor 3, which remains unconnected to the power source for some time, as a result of which the electric motor 2 and the elastic coupling 4 remain unloaded, and the coupling halves 5 and 6 rotate at the same angular speed without angular misalignment relative to each other. The next step of the test program, launched by the computer 15 through the programmable microcontroller 14, is to connect the load stepper motor 3 through the driver 12 to the power source 13 so that its shaft begins to rotate in accordance (in the same direction) with the test motor 2, while the rotation speed of the electric motor 3 is set equal to the rotation speed of electric motor 2, elastic coupling 4 after starting electric motor 3 remains unloaded until the next step of the test program. For smooth running of the rotor of the load stepper motor 3, it is necessary to use driver 12 in microstepping mode and current source mode for the phase windings of the load motor 3, while its load characteristics must be known (calibrated) and must be selected with a margin of torque and power relative to the expected load characteristics of the tested stepper motor 2.

На следующем шаге программы испытаний компьютер 15 через микроконтроллер 14 переводит испытуемый шаговый электродвигатель 2 на частоту вращения вала несколько выше (единицы процента) частоты вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя 3. После этого ведущая полумуфта 5 начинает обгонять ведомую полумуфту 6 и нагружать упругие элементы 7, так как вал нагрузочного шагового электродвигателя 3 и ведомая полумуфта 6 вращаются с прежней скоростью и необходимо приложить известный момент на вал нагрузочного электродвигателя 3 в сторону направления вращения, превышающий момент синхронизации поля статора и поля ротора и нарушить (сорвать) их синхронное вращение. Если это происходит, значит вращающий момент испытуемого шагового электродвигателя 2 превышает известный момент сопротивления (момент синхронизации поля статора и поля ротора) нагрузочного шагового электродвигателя 3 и следующий шаг программы должен повторить процесс, добавив малое количество (единицы процентов) тока с помощью драйвера 12 в фазах нагрузочного шагового электродвигателя 3. Программа повторяет шаги (количество шагов определяется требуемой точностью измерения) с добавлением тока до тех пор, пока не нарушится (сорвется) синхронное вращение испытуемого электродвигателя 2, это и будет точкой измерения максимального крутящего момента на непрерывно вращающемся валу испытуемого шагового электродвигателя 2 при заданной его частоте вращения и токе в фазах, определенного по известной (в точке измерения) нагрузочной характеристике шагового электродвигателя 3. На этом цикл программы завершается и задаются новые параметры (частота вращения, фазный ток, дробление шага и др.) испытуемого электродвигателя 2 и шаги программы повторяются в новом цикле поиска точки измерения максимального момента испытуемого шагового электродвигателя 2.At the next step of the test program, the computer 15, through the microcontroller 14, transfers the test stepper motor 2 to a shaft rotation speed slightly higher (units of percent) than the shaft rotation speed of the load stepper motor 3. After this, the driving coupling half 5 begins to overtake the driven coupling half 6 and load the elastic elements 7, so As the shaft of the load stepper motor 3 and the driven coupling half 6 rotate at the same speed, it is necessary to apply a certain torque to the shaft of the load motor 3 in the direction of rotation, exceeding the moment of synchronization of the stator field and the rotor field and disrupt (disrupt) their synchronous rotation. If this happens, then the torque of the test stepper motor 2 exceeds the known moment of resistance (the moment of synchronization of the stator field and the rotor field) of the load stepper motor 3 and the next step of the program should repeat the process, adding a small amount (units of percent) of current using driver 12 in phases load stepper motor 3. The program repeats the steps (the number of steps is determined by the required measurement accuracy) with the addition of current until the synchronous rotation of the test motor 2 is disrupted (broken), this will be the point of measurement of the maximum torque on the continuously rotating shaft of the test stepper motor 2 at a given rotation speed and current in the phases, determined from the known (at the measurement point) load characteristic of the stepper motor 3. At this point, the program cycle ends and new parameters (rotation speed, phase current, step fractionation, etc.) of the tested electric motor 2 are set and the program steps are repeated in a new cycle of searching for the point of measurement of the maximum torque of the tested stepper motor 2.

Для распознания момента срыва синхронного вращения того или иного шагового электродвигателя (2 или 3) ведомые полумуфты 5 и 6 оборудованы датчиками 8 и 9 угловых скоростей, по сигналам которых логическое устройство 10 определяет относительно резкое изменение угловой скорости ведомой полумуфты 6 или ведущей полумуфты 5, которое происходит из-за добавления в ту или иную сторону накопленной энергии упругих элементов 7 в результате нагружения и углового рассогласования полумуфт, и формирует сигнал (например, логическую «1») на выходе F1 или выходе F2, тем самым продолжая или завершая цикл программы исследования, воздействуя на входы программируемого микроконтроллера 14.To recognize the moment of failure of the synchronous rotation of one or another stepper motor (2 or 3), the driven coupling halves 5 and 6 are equipped with angular velocity sensors 8 and 9, from the signals of which the logical device 10 determines a relatively sharp change in the angular velocity of the driven coupling half 6 or the driving coupling half 5, which occurs due to the addition of accumulated energy of elastic elements 7 in one direction or another as a result of loading and angular misalignment of the coupling halves, and generates a signal (for example, logical “1”) at output F1 or output F2, thereby continuing or completing the cycle of the research program, influencing the inputs of the programmable microcontroller 14.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет автоматизировать процесс испытаний шаговых электродвигателей в широком диапазоне мощностей и частот вращения, включая инфранизкие угловые скорости вала, как при разработке новых шаговых двигателей, так и при серийном их выпуске.Thus, the proposed device allows you to automate the process of testing stepper motors in a wide range of powers and rotation speeds, including infra-low angular shaft speeds, both during the development of new stepper motors and during their serial production.

Claims

A device for measuring the torque of a stepper motor, comprising a base of the device on which the stepper motor under test and the load machine are coaxially mounted, the shafts of which are mechanically connected, and their phase windings are connected through drivers to a bipolar DC power source, the driver inputs are connected by control buses to the outputs of a programmable microcontroller , connected by a control bus to a computer and controlled by it according to a given test program, characterized in that the device additionally contains an elastic coupling, the driving coupling half of which is mechanically connected to the shaft of the stepper motor being tested, and the driven coupling half is mechanically connected to the shaft of the loading machine, while the coupling halves are mechanically connected between each other by elastic elements that provide angular displacement of the coupling halves relative to each other under load and are equipped with an angular velocity sensor of the driving half of the coupling and an angular velocity sensor of the driven half of the coupling, the outputs of which are electrically connected through a logic device to the inputs of a programmable microcontroller, while a calibrated stepper is used as a loading machine an electric motor with known load characteristics, which is connected by the driver to the power source in current source mode and microstepping mode, and the stepper motor under test is connected by the driver to the power source in such a way that the direction of rotation of its shaft coincides with the direction of rotation of the load stepper motor shaft.