CN103048071B - 用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置，其包括安装于无框力矩电机上的非接触式的光电编码器和安装于上位机内部的信号转换和预处理电路、高速数据采集卡、计算分析数据单元；所述非接触式的光电编码器包括圆光栅盘和读数头；所述圆光栅盘与无框力矩电机的转动部件同轴线固定连接，所述读数头固定连接于固定座上；读数头能够实时采集到无框力矩电机的转动部件的动态角位移数据，通过信号处理及数据分析，实时的显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速。

Description

用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在悬浮状态下对无框力矩电机动态扭矩进行实时监测的测量装置。

背景技术

力矩电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去中间传动机构，从而提高了系统的运行精度。因此广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。

力矩输出值作为表征力矩电机传动的性能和工作状态的一个典型参数，其测量有着重要的意义。但是，现有的测量力矩电机输出扭矩的方法，只适用于测量静态力矩，即使能测动态力矩，由于无法精确测量角加速度和摩擦力矩也存在测量不准确的缺陷。根据传感器的测量方式一般分为接触式和非接触式两种。接触式的传感器以应变片式扭矩传感器为主，非接触式主要分为磁电式、光电式两大类。应变式扭矩传感器测量扭矩即通过应变片测量弹性元件的变形来计量扭矩，这种测量方式受弹性轴的材料、形状影响较大，从原理上讲，分辨率难以继续提高，并且此种测试方法及装置只适用于静态受力的情况下，来分析及测量材料所受到的静态扭矩。对于非接触式传感器来测量扭矩的情况，磁电式传感器受环境温度、外界磁场影响，灵敏度将产生变化而产生测量误差，对于微扭矩通常误差较大甚至无法测量，以上两种方式，由于无法精确测量角加速度和摩擦力矩，所以存在动态力矩测量不准确的缺陷，而现有的技术无法精确测量力矩电机输出的实时动态力矩。目前还没有一种适用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置及方法，而动态扭矩这一数据对于标定悬浮状态下无框力矩电机性能有着很重要的意义，从而要求必须采用新的原理实现动态扭矩的实时测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免现有技术的不足，提供一种高精度、非接触式的采用光电式编码器来监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置，对于悬浮状态下的无框力矩电机而言，由于其转动部件处于悬浮状态，所受摩擦力非常小，可以忽略不计，该装置可以监测并显示悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的实时输出状态。

本发明所依据的原理如公式(1)所示：

T_k＝J_总·ε_k+T_f  (1)

式中，J_总为气浮主轴上转动物体的总转动惯量，ε_k为第k次采样时的角加速度值，T_f为由摩擦力引起的摩擦力矩。

ε_k的计算公式如下所示：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{{\mathrm{\ω}}_k-{\mathrm{\ω}}_{k-1}}{T}---\left(2\right)$

式中，ω_k为第k次采样时的角速度，ω_k-1为第k-1次采样时的角速度，T为采样周期

ω_k计算公式如下所示：

${\mathrm{\ω}}_k=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1}}{T}---\left(3\right)$

式中，θ_k为第k个采样周期时的角度变化值，θ_k-1为高精度光学角位移测量传感器第k-1个采样周期时的角度变化值。

由公式(2)、(3)可以推出：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1}-({\mathrm{\θ}}_{k-1}-{\mathrm{\θ}}_{k-2})}{T\·T}=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-2{\mathrm{\θ}}_{k-1}+{\mathrm{\θ}}_{k-2}}{T^2}---\left(4\right)$

T_f为由摩擦力引起的扭矩，由于本装置采用非接触式的光电编码器来测量悬浮状态下无框力矩电机的动态扭矩，故T_f值很小，可以忽略不计，故电机输出力矩计算公式转化为

通过数据分析和计算软件，将编码器读取的角位移信号换算成扭矩值实时输出在界面上，且具有极高的精度。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：本发明所述一种用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置包括安装于无框力矩电机上的非接触式的光电编码器和安装于上位机内部的信号转换和预处理电路、高速数据采集卡、计算分析数据单元；所述无框力矩电机固定于电机底座上；所述非接触式的光电编码器包括圆光栅盘和读数头；所述圆光栅盘与无框力矩电机的转动部件同轴线固定连接，并跟随无框力矩电机的转动部件同步转动；所述读数头固定连接于固定座上；所述读数头与圆光栅盘上的光栅尺对正，保证能够正确的实时采集无框力矩电机转动部件的动态角位移数据；所述读数头通过数据线与信号转换和预处理电路构成电联接；所述读数头实时采集到的无框力矩电机的转动部件的动态角位移数据，经信号转换和预处理电路处理后传输给高速数据采集卡，并经计算分析数据单元对高速数据采集卡中的数据进行分析和控制计算后，实时的显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速。

所述的读数头与圆光栅盘之间距离为0.8mm。

所述读数头实时采集到的无框力矩电机的转动部件的动态角位移数据为脉冲信号，其通过信号转换和预处理电路转化为模拟量信号。

使用监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置进行动态扭矩测试的方法：其特征在于，包括如下步骤：

1)通过上位机设定实时数据采集周期T；

2)通过非接触式的光电编码器采集三个连续周期内无框力矩电机的转动部件的动态角位移变化数据θ_k-2、θ_k-1、θ_k；

3)通过计算分析数据单元，利用公式和对上述步骤2)采集数据进行分析处理，得到角加速度值  ${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1}-({\mathrm{\θ}}_{k-1}-{\mathrm{\θ}}_{k-2})}{T\·T}=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-2{\mathrm{\θ}}_{k-1}+{\mathrm{\θ}}_{k-2}}{T^2},$ 通过公式T_k＝J_总·ε_k+T_f，其中T_f对于此悬浮状态下工作的无框力矩电机而言值很小，可以忽略不计，即可计算出第k个周期内的扭矩输出值T_k，从而可测得实时的无框力矩电机的动态扭矩；

4)通过上位机显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速。

本发明的积极效果：本发明所述一种用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置采用高精度、非接触式的光电式编码器，通过信号处理及数据分析，对悬浮状态下无框力矩电机的动态扭矩实时监测，该监测数据对于标定悬浮状态下无框力矩电机性能有着重要的意义，并且随着科学技术的进一步发展，及计算能力的进一步提高，该装置可将圆光栅盘的刻度进一步细化，并且极大限度的缩短采样周期值T，从而可极大地提高该装置的监测精度，还可以根据不同型号的无框力矩电机，采用不同的电机底座，具有较好的适应性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明用于监测气浮状态下无框力矩电机动态扭矩的结构示意图

图中，1读数头    2圆光栅盘        3气浮轴承

      4气浮主轴  5无框力矩电机    6电机底座

具体实施方式

如图1所示，为本发明用于监测气浮状态下无框力矩电机动态扭矩时的安装结构示意图，被测无框力矩电机(5)直接驱动气浮主轴(4)，气浮主轴(4)通过气浮轴承(3)的支撑实现近似无摩擦的悬浮状态，圆光栅盘(2)与气浮主轴(4)同轴线固定连接，并跟随气浮主轴(4)同步转动；读数头(1)与圆光栅盘(2)上的光栅尺对正，保证能够正确的实时采集到无框力矩电机(5)驱动的的气浮主轴(4)的动态角位移数据；读数头(1)通过数据线与信号转换和预处理电路构成电联接；读数头(1)实时采集到的气浮主轴(4)的动态角位移数据，经信号转换和预处理电路处理后传输给高速数据采集卡，并经计算分析数据单元对高速数据采集卡中的数据进行分析和控制计算后，实时的显示出气浮状态下无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速；所述读数头(1)实时采集到的气浮主轴(4)的动态角位移数据为脉冲信号，其通过信号转换和预处理电路转化为模拟量信号，并传递至高速数据采集卡。

使用本发明进行监测气浮状态下无框力矩电机动态扭矩的方法：其特征在于，包括如下步骤：

1)通过上位机设定实时数据采集周期T；

2)通过圆光栅盘(5)及读数头(6)采集连续三个周期内气浮主轴(4)的动态角位变化数据θ_k-2、θ_k-1、θ_k；

3)通过计算分析数据单元，利用如下公式

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1}-({\mathrm{\θ}}_{k-1}-{\mathrm{\θ}}_{k-2})}{T\·T}=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-2{\mathrm{\θ}}_{k-1}+{\mathrm{\θ}}_{k-2}}{T^2}$

对上述步骤2)采集数据进行分析处理，得到第k个周期的角加速度ε_k值，进而通过计算公式

T_k＝J_总·ε_k+T_f

计算出第k个周期内的扭矩输出值T_k，其中T_f对于此气浮状态下无框力矩电机的转动部件而言值很小，可以忽略不计，从而即可测得实时的无框力矩电机的动态扭矩。

4)通过上位机显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速。

本实施例中的气浮状态下无框力矩电机动态扭矩监测装置在使用时，可以根据不同型号的无框力矩电机选择不同的电机底座(6)，因而具有很好的适用性。还可以选择不同精度的非接触式光栅编码器，以满足不同的精度要求。

上面所述的只是用图解说明本发明相关的用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置及方法的一种具体应用实例，由于对相同技术领域的技术人员来说很容易在此基础上进行若干的修改，因此本说明书并非要将本发明所述的用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置及方法局限在所示或者所述的具体机构及适用范围内，故凡是可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的方法，其特征在于：该方法是通过一种用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的装置来实现的，该装置包括安装于无框力矩电机上的非接触式的光电编码器和安装于上位机内部的信号转换和预处理电路、高速数据采集卡、计算分析数据单元；所述无框力矩电机固定于电机底座上；所述非接触式的光电编码器包括圆光栅盘和读数头；所述圆光栅盘与无框力矩电机的转动部件同轴线固定连接，并跟随无框力矩电机的转动部件同步转动；所述读数头固定连接于固定座上；所述读数头与圆光栅盘上的光栅尺对正，保证能够正确的实时采集无框力矩电机转动部件的动态角位移数据；所述读数头通过数据线与信号转换和预处理电路构成电联接；所述读数头实时采集到的无框力矩电机的转动部件的动态角位移数据，经信号转换和预处理电路处理后传输给高速数据采集卡，并经计算分析数据单元对高速数据采集卡中的数据进行分析和控制计算后，实时的显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速；

所述的方法包括如下步骤：

1)通过上位机设定实时数据采集周期T；

2)通过非接触式的光电编码器采集三个连续周期内无框力矩电机的转动部件的动态角位移变化数据θ_k-2、θ_k-1、θ_k；

3)通过计算分析数据单元，利用公式和对上述步骤2)采集数据进行分析处理，得到角加速度值 ${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1}-({\mathrm{\θ}}_{k-1}-{\mathrm{\θ}}_{k-2})}{T\·T}=\frac{{\mathrm{\θ}}_k-2{\mathrm{\θ}}_{k-1}+{\mathrm{\θ}}_{k-2}}{T^2},$ 通过公式T_k＝J_总·ε_k+T_f，其中J_总为气浮主轴上转动物体的总转动惯量，ω_k为第k次采样时的角速度，ε_k为第k次采样时的角加速度值，T_f为由摩擦力引起的摩擦力矩，T_f对于此悬浮状态下工作的无框力矩电机而言值很小，即计算出第k个周期内的扭矩输出值T_k，从而测得实时的无框力矩电机的动态扭矩；

4)通过上位机显示出无框力矩电机的动态扭矩输出值和转速。

2.根据权利要求1所述的用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的方法，其特征在于：所述的读数头与圆光栅盘之间距离为0.8mm。

3.根据权利要求1所述的用于监测悬浮状态下无框力矩电机动态扭矩的方法，其特征在于：所述读数头实时采集到的无框力矩电机的转动部件的动态角位移数据为脉冲信号，其通过信号转换和预处理电路转化为模拟量信号。