CN105403832A - 一种步进电机综合性能测试系统 - Google Patents

Abstract

一种步进电机综合性能测试系统，包括伺服电机(101)、电机安装支架(102)、第一联轴器(103)、扭矩传感器(104)、第二联轴器(105)、转接轴(106)、待测电机安装支架(107)、转接法兰(108)、第一滑块(109)、第二滑块(110)、第三滑块(111)、导轨(112)、安装法兰(201)、电机支架(202)、连接轴(203)、输入联轴器(204)、负载扭矩传感器(205)、输出联轴器(206)、磁滞制动器(207)、磁滞安装支架(208)、磁滞滑块(209)、扭矩传感器滑块(210)、电机滑块(211)、滑轨(212)和控制器。本发明系统的测试精度高，通过选择不同扭矩量程、不同精度分辨率的扭矩传感器和伺服电机，可满足不同精度等级及量程的定位/保持力矩和负载特性测试需求。

Description

一种步进电机综合性能测试系统

技术领域

本发明属于测试领域，涉及一种步进电机测试系统，可用于步进电机的定位力矩、保持力矩及负载特性的测量。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，在非超载情况下，步进电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，具有优秀的起停和反转响应、位置精度，位置重复性好、可靠性高、结构简单、成本低，具有较宽的转速范围，已广泛应用于各种自动化控制系统中。

步进电机在研制完成后，一般需对其定位力矩和保持力矩进行测量。定位力矩是指步进电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩，是由磁场齿形的谐波及机械误差造成的。保持力矩是指步进电机在通电状态下但没有转动时，定子锁定转子的力矩。定位/保持力矩是步进电机的重要指标，是衡量步进电机最重要的参数之一。

目前，步进电机的定位/保持力矩测试通常采用静态砝码加载测量的方法，即通过在步进电机输出轴上固定一个圆盘，圆盘上缠绕一个加载盘，通过在加载盘上逐步增加放置砝码，当所加砝码驱动输出轴转动时，把此时的转矩作为步进电机的定位/保持力矩(不加电/加电状态)。这种传统的加载方式因砝码的质量细分不足、砝码的加载冲击、圆盘及加载盘的自身惯量等会直接影响力矩的测量精度、同时加载力臂杠杆的偏心加载方式使电机输出轴产生附加弯矩，测量结果不能完全反映其定位/保持力矩的真实大小，存在一定的测量误差。负载特性测试常采用利用一负载圆盘，圆盘上缠绕一绳索，绳索一端悬挂砝码、一端连接一管型测力计，测试过程中通过调整砝码的重量，使绳索和圆盘间产生的摩擦力矩达到测试所需的负载扭矩值来进行电机负载能力的测试，这种测试方法测试前需进行大量的规律摸索，以寻找砝码质量与产生的摩擦力矩的关系，耗费时间较长，同时测试过程中的运动波动，照成负载扭矩存在较大的波动，测试精度低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种步进电机定位/保持力矩及负载特性的综合测试系统，用于解决步进电机测试过程中的测试精度差、测试效率低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种步进电机综合性能测试系统，包括伺服电机、电机安装支架、第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、转接轴、待测电机安装支架、转接法兰、第一滑块、第二滑块、第三滑块、导轨、安装法兰、电机支架、连接轴、输入联轴器、负载扭矩传感器、输出联轴器、磁滞制动器、磁滞安装支架、磁滞滑块、扭矩传感器滑块、电机滑块、滑轨和控制器，其中：

伺服电机：又包括第一伺服电机和第二伺服电机，当进行步进电机定位力矩测试时，第一伺服电机安装在电机安装支架上，输出轴通过第一联轴器与扭矩传感器的输入端连接，对被测电机加载扭矩；当进行步进电机保持力矩测试时，第二伺服电机安装在电机安装支架上，输出轴通过第一联轴器与扭矩传感器的输入端连接，对被测电机加载扭矩；所述的第二伺服电机的输出扭矩大于第一伺服电机的输出扭矩；

扭矩传感器：输入端与伺服电机的输出轴连接，测试端依次通过第二联轴器、转接轴与被测电机的输出轴进行机械连接，读取伺服电机施加给被测电机的扭矩和转速并反馈给控制器；

转接法兰：将被测电机固定安装在待测电机安装支架上；

导轨：固定安装在水平面上，第一滑块、第二滑块、第三滑块顺序安装在导轨上，第二滑块上安装扭矩传感器，第一滑块上安装待测电机安装支架，第三滑块上安装电机安装支架，通过第一滑块、第二滑块、第三滑块调整扭矩传感器、待测电机安装支架及电机安装支架的位置关系；

安装法兰：将被测电机固定安装在电机支架上；

负载扭矩传感器：输入端依次通过输入联轴器、连接轴与被测电机的输出轴连接，测试端通过输出联轴器与磁滞制动器连接，读取磁滞制动器施加给被测电机的扭矩和转速并反馈给控制器；

磁滞制动器，固定安装在磁滞安装支架上，对被测电机加载扭矩；

滑轨：固定安装在水平面上，磁滞滑块、扭矩传感器滑块、电机滑块顺序安装在滑轨上，磁滞滑块上安装磁滞制动器，扭矩传感器滑块上安装负载扭矩传感器，电机滑块上安装电机支架，通过磁滞滑块、扭矩传感器滑块、电机滑块调整磁滞制动器、负载扭矩传感器以及电机支架的位置关系；

控制器：进行步进电机保持力矩或者定位力矩测试时，向伺服电机施加驱动信号，控制伺服电机施加给被测电机的加载扭矩和转速，同时从扭矩传感器实时获取实测的扭矩和转速信息，获得扭矩曲线并将扭曲曲线的峰值作为定位力矩或者保持力矩；当进行步进电机负载特性测试时，向磁滞制动器施加驱动信号，同时从负载扭矩传感器实时获取实测的扭矩和转速信息，绘制负载扭矩曲线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的测试系统具有多种测试功能，既能实现步进电机的定位/保持力矩测试，又能实现不同转速下步进电机负载特性及效率测试；

(2)本发明系统的测试应用范围广，能够满足多种不同型号、不同接口尺寸的步进电机定位/保持力矩及负载特性测试(针对不同接口的步进电机仅需更换转接法兰即可)；

(3)本发明系统的测试精度高，通过选择不同扭矩量程、不同精度分辨率的扭矩传感器和伺服电机，可满足不同精度等级及量程的定位/保持力矩和负载特性测试需求；采用同轴布置测量方式，消除了静态砝码配重测量的附加弯矩、砝码放置冲击等对测量结果的影响；采用控制与数据采集单元自动高速采集、识别及分析测试数据，大大提高了人工测试过程的数据获取和分辨能力，测试结果更加真实、准确，测试效率高。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明的定位/保持力矩测试单元结构图；

图3为本发明的测试原理图；

图4为本发明的负载特性测试单元结构图；

图5为本发明的控制及数据采集单元结构图；

图6为本发明的定位/保持力矩测试流程图；

图7为本发明的负载特性测试流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测试系统包括测试平台、定位/保持力矩测试单元、负载特性测试单元、控制及数据采集单元。

测试平台为系统的基础平台，为定位/保持力矩测试单元、负载特性测试单元、控制及数据采集单元提供机械接口。

定位/保持力矩测试单元，为被测步进电机提供动力输入，实现其定位/保持力矩测试。如图2所示，优选地，定位/保持力矩测试单元由伺服电机101、电机安装支架102、第一联轴器103、扭矩传感器104、第二联轴器105、转接轴106、待测电机安装支架107、转接法兰108、第一滑块109、第二滑块110、第三滑块111、导轨112组成。伺服电机101用于对被测电机按设定步长及加载方式进行精确加载扭矩和驱动，安装于电机安装支架102上，其输出轴通过第一联轴器103与扭矩传感器104的输入端连接，扭矩传感器104用于读取施加给被测电机的加载扭矩和转速，并将加载扭矩及转速信息反馈给控制及数据采集单元进行数据存储、测试曲线绘制及加载控制，扭矩传感器104的测试端通过第二联轴器105、转接轴106与被测电机输出轴进行机械连接，被测电机通过转接法兰108安装于待测电机安装支架107上，设置转接法兰108是为使系统可适应不同接口尺寸的电机测试，对于不同的被测电机只需对应更换转接法兰108即可。待测电机安装支架107、扭矩传感器104、电机安装支架102下面分别安装有第一滑块109、第二滑块110、第三滑块111，可沿导轨112进行滑动，便于相互的连接与分离，各滑块上设有紧定螺钉，位置确定后可以相对导轨112进行定位锁死。定位/保持力矩功能测试中，控制及数据采集单元通过扭矩传感器104测得的加载扭矩数据找到扭矩曲线的峰值，即为定位/保持力矩(不加电/加电状态)(当施加的加载扭矩足够使被测电机发生转动时，被测电机输出轴发生回转，由于步进电机定位/保持力矩大于步进电机自身运转力矩的特性，步进电机发生回转后，扭矩传感器104检测到的扭矩值会瞬间产生较大下降，因此扭矩曲线的峰值即被测电机的定位/保持力矩)。

由于步进电机的定位力矩值一般远小于保持力矩值，为保证测试精度，不宜选用同一规格伺服电机开展两项测试，因此本发明采用两不同规格伺服电机切换测试的方式进行设计。当开展定位力矩测试时，将被测电机与较小扭矩输出的第一伺服电机相连接，同时串联扭矩传感器104，通过控制第一伺服电机的转矩值，实现步进电机的定位力矩测量；当开展保持力矩测试时，将较大扭矩输出的第二伺服电机替换下第一伺服电机，实现两种不同量程力矩的准确测量，图3所示。

负载特性测试单元，为被测电机提供模拟负载，在要求的特定转速下输出稳定负载力矩。如图4所示，优选地，负载特性测试单元由安装法兰201、电机支架202、连接轴203、输入联轴器204、负载扭矩传感器205、输出联轴器206、磁滞制动器207、磁滞安装支架208、磁滞滑块209、扭矩传感器滑块210、电机滑块211、滑轨212组成。被测电机通过安装法兰201安装于电机支架202上，设置安装法兰201是为使系统可适应不同接口尺寸的电机测试，对于不同的被测电机只需对应更换安装法兰201即可，被测电机输出轴通过连接轴203、输入联轴器204与负载扭矩传感器205建立机械连接，负载扭矩传感器205用于读取施加给被测电机的负载扭矩和转速，并将负载扭矩、转速信息反馈给控制及数据采集单元，用于进行数据存储、测试曲线绘制及加载控制，负载扭矩传感器205测试端通过输出联轴器206与磁滞制动器207连接,磁滞制动器207安装于磁滞安装支架208上，用于对被测电机按设定负载进行精确加载扭矩，磁滞安装支架208、负载扭矩传感器205、电机支架202下部分别安装有磁滞滑块209、扭矩传感器滑块210、电机滑块211，可沿滑轨212进行滑动，便于相互的连接与分离，滑块上设有紧定螺钉，位置确定后可以相对滑轨212进行定位锁死。

如图5所示，控制及数据采集单元由测试计算机、电机驱动器、磁滞驱动器(ERM)、扭矩传感器转换器、电压信号转换器、电流信号转换器、端子台组成。负载扭矩传感器205测得的扭矩、转速信息传输给扭矩传感器转换器进行转换成计算机可处理的信号后反馈给计算机进行显示、存储及处理。测试计算机通过ERM对磁滞制动器207进行加载控制，通过电机驱动器分别对两个伺服电机进行运动及加载控制。驱动被测电机运动的电压、电流信号分别经电压信号转换器、电流信号转换器转换成计算机可处理的信号后反馈给测试计算机进行显示、存储及处理，端子台提供了各硬件与计算机间的连接接口。控制及数据采集单元可通过测量结果绘制曲线，并进行测试数据的分析和存储。

定位/保持力矩测试中，为充分获知产品的定位/保持力矩情况，采取多点间隔测量的方式，即被测电机在某一位置的定位/保持力矩测试完成后，将被测电机的输出轴转动一个角度，进行下一位置的被测电机的定位/保持力矩测试，得到所有测点的定位/保持力矩测试值。定位/保持力矩测试基于被测电机输出轴的转速进行测试结束控制，当被测电机输出轴转动角速度达到设定值时测试结束，测试前需进行该转速值的设定。

测试结束控制转速确定后进行伺服电机在测试过程中力矩加载步长及加载持续时间设置，该设置决定了伺服电机的加载方式。

开始测试后，伺服电机从0N·mm开始按照设定力矩加载步长及加载持续时间，对被测步进电机进行逐级加载，当控制及数据采集单元检测到扭矩传感器104测量反馈扭矩值发生突然下降时，伺服电机停止逐级加载，而保持当前加载力矩持续加载，当控制及数据采集单元检测到被测步进电机转动速度达到测试开始前的试验停止设定值时，伺服电机停止加载，控制及数据采集单元根据测试过程扭矩传感器104反馈的加载扭矩信息，找到加载力矩的最大值为被测电机该测试点的定位/保持力矩。

某测点的定位/保持力矩测试结束后，伺服电机驱动被测电机转动设定测点间隔角度，重复上述过程进行下一测点的定位/保持力矩测试，直至完成所有测试点的定位/保持力矩测试。

测试结束后，控制及数据采集单元根据测试过程中采集的扭矩信息，可按需要绘制各测点的定位/保持力矩测试曲线，整个流程如图6所示。

负载特性测试过程中，测试前需对被测电机的测试负载进行设置；开始测试后，计算机将设置扭矩值下发给磁滞驱动器，磁滞驱动器按计算机要求加载的扭矩值对磁滞制动器207的制动扭矩进行控制，使磁滞制动器207按设置负载扭矩值对被测电机施加负载扭矩，系统实时采集测试过程的扭矩、转速信息和驱动器电压、电流信息。系统根据采集的过程扭矩、转速及驱动器电压、电流信息，按照效率＝(扭矩×转速)/(电压×电流)的关系，进行电机测试过程中的效率计算。

测试结束后，控制及数据采集单元根据测试过程中采集的负载扭矩、转速，驱动器电压、电流信息及经计算的效率数据，可按需要绘制测试过程的负载扭矩曲线、效率曲线，具体流程如图7所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种步进电机综合性能测试系统，其特征在于包括：伺服电机(101)、电机安装支架(102)、第一联轴器(103)、扭矩传感器(104)、第二联轴器(105)、转接轴(106)、待测电机安装支架(107)、转接法兰(108)、第一滑块(109)、第二滑块(110)、第三滑块(111)、导轨(112)、安装法兰(201)、电机支架(202)、连接轴(203)、输入联轴器(204)、负载扭矩传感器(205)、输出联轴器(206)、磁滞制动器(207)、磁滞安装支架(208)、磁滞滑块(209)、扭矩传感器滑块(210)、电机滑块(211)、滑轨(212)和控制器，其中：

伺服电机(101)：又包括第一伺服电机和第二伺服电机，当进行步进电机定位力矩测试时，第一伺服电机安装在电机安装支架(102)上，输出轴通过第一联轴器(103)与扭矩传感器(104)的输入端连接，对被测电机加载扭矩；当进行步进电机保持力矩测试时，第二伺服电机安装在电机安装支架(102)上，输出轴通过第一联轴器(103)与扭矩传感器(104)的输入端连接，对被测电机加载扭矩；所述的第二伺服电机的输出扭矩大于第一伺服电机的输出扭矩；

扭矩传感器(104)：输入端与伺服电机(101)的输出轴连接，测试端依次通过第二联轴器(105)、转接轴(106)与被测电机的输出轴进行机械连接，读取伺服电机(101)施加给被测电机的扭矩和转速并反馈给控制器；

转接法兰(108)：将被测电机固定安装在待测电机安装支架(107)上；

导轨(112)：固定安装在水平面上，第一滑块(109)、第二滑块(110)、第三滑块(111)顺序安装在导轨(112)上，第二滑块(110)上安装扭矩传感器(104)，第一滑块(109)上安装待测电机安装支架(107)，第三滑块(111)上安装电机安装支架(102)，通过第一滑块(109)、第二滑块(110)、第三滑块(111)调整扭矩传感器(104)、待测电机安装支架(107)及电机安装支架(102)的位置关系；

安装法兰(201)：将被测电机固定安装在电机支架(202)上；

负载扭矩传感器(205)：当进行步进电机负载特性测试时，输入端依次通过输入联轴器(204)、连接轴(203)与被测电机的输出轴连接，测试端通过输出联轴器(206)与磁滞制动器(207)连接，读取磁滞制动器(207)施加给被测电机的扭矩和转速并反馈给控制器；

磁滞制动器(207)，固定安装在磁滞安装支架(208)上，对被测电机加载扭矩；

滑轨(212)：固定安装在水平面上，磁滞滑块(209)、扭矩传感器滑块(210)、电机滑块(211)顺序安装在滑轨(212)上，磁滞滑块(209)上安装磁滞制动器(207)，扭矩传感器滑块(210)上安装负载扭矩传感器(205)，电机滑块(211)上安装电机支架(202)，通过磁滞滑块(209)、扭矩传感器滑块(210)、电机滑块(211)调整磁滞制动器(207)、负载扭矩传感器(205)以及电机支架(202)的位置关系；

控制器：进行步进电机保持力矩或者定位力矩测试时，向伺服电机(101)施加驱动信号，控制伺服电机(101)施加给被测电机的加载扭矩和转速，同时从扭矩传感器(104)实时获取实测的扭矩和转速信息，获得扭矩曲线并将扭曲曲线的峰值作为定位力矩或者保持力矩；当进行步进电机负载特性测试时，向磁滞制动器(207)施加驱动信号，同时从负载扭矩传感器(205)实时获取实测的扭矩和转速信息，绘制负载扭矩曲线。