二自由度超聲波電動機(jī)力矩測試方法研究

胡錫幸，馬 青，褚明華，王 劍，郭吉豐

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009;2.浙江省火電建設(shè)公司，杭州 310016;3.國網(wǎng)嘉興供電公司，嘉興 314005;4.浙江大學(xué)，杭州 310027)

0 引 言

多自由度球形超聲波電動機(jī)是近年來超聲波電動機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］。其中，電機(jī)的力矩檢測一直是研究的難點(diǎn)，原因在于電機(jī)球形轉(zhuǎn)子輸出的是多維運(yùn)動，單自由度電機(jī)的測試方法不能簡單地復(fù)制，需要提出新的測試機(jī)構(gòu)和方法。

目前，國內(nèi)外關(guān)于多自由度球形超聲波電動機(jī)的性能檢測機(jī)構(gòu)研究比較少。文獻(xiàn)［2］給出了電機(jī)繞各軸的最高轉(zhuǎn)速，但未給出電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩的數(shù)值。文獻(xiàn)［3－5］給出了多自由度球形超聲波電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩，但對電機(jī)的檢測機(jī)構(gòu)未加說明。多自由度超聲波電動機(jī)的輸出力矩值較小，且方向又是多自由度的，導(dǎo)致電機(jī)的力矩檢測困難。多自由度電機(jī)性能測量中往往把多個方向解耦，然后逐一測量各方向的轉(zhuǎn)速和力矩。力矩的計算方法是用輸出軸拉動滑輪牽引的物體，物體的質(zhì)量與滑輪的半徑之積即是電機(jī)的力矩［6－8］。但利用該方法測量多自由度超聲波電動機(jī)的力矩存在缺陷，當(dāng)輸出軸跟隨球轉(zhuǎn)子運(yùn)動時，滑輪的有效直徑會發(fā)生變化，得到的力矩值也會產(chǎn)生誤差;檢測完電機(jī)某一自由度的性能后，需要重新安裝測試機(jī)構(gòu)，測試過程比較繁復(fù)。

因此研究適合多自由度球形超聲波電動機(jī)的力矩檢測機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高精度的電機(jī)控制是當(dāng)前球形電機(jī)應(yīng)用中亟需解決的關(guān)鍵問題。本文以實驗室自主研制的基于三定子的二自由度球形超聲波電動機(jī)為研究對象，提出了一種新型的基于壓力傳感器的電機(jī)力矩檢測機(jī)構(gòu)。文中首先介紹電機(jī)的力矩測試機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式;其次闡述測試的原理和方法;最后，對電機(jī)力矩進(jìn)行實測，驗證該方案的有效性和精確度。

1 力矩測試機(jī)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

基于三定子的二自由度球形超聲波電動機(jī)力矩測試機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，這些零件組成了力矩測試模塊。測試機(jī)構(gòu)上下對稱。

力矩測試模塊的元件與裝配過程如圖2所示。其中，上座沿周向開槽四個，將壓力傳感器固定在槽內(nèi)，傳感器的觸頭方向均指向圓心。下座采用四個方柱，通過沉頭螺釘配合上座，用來固定壓力傳感器。測力桿的中部有環(huán)形凸臺，底部設(shè)有安裝硬木凹壓頭的孔，孔與硬木凹壓頭采用過盈配合。固定蓋帽和固定板之間有螺紋固定，避免底部力矩測試模塊因自身重力與球轉(zhuǎn)子脫開。

圖1 力矩測試機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 力矩測試模塊裝配圖

在力矩測試機(jī)構(gòu)設(shè)計中有幾處需要特別說明:彈簧a的使用是為了減小加力螺桿8的加力剛度。彈簧b的剛度系數(shù)需要合理設(shè)計，不能太小也不能過大。如果剛度系數(shù)太小，會導(dǎo)致即使加力螺桿擰緊到底時，硬木壓頭和球轉(zhuǎn)子之間的壓力不夠大，從而測不出電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩;剛度系數(shù)太大，會出現(xiàn)加力螺桿稍微一擰緊，電機(jī)就“堵死”的情況。同樣，壓頭和球轉(zhuǎn)子的摩擦系數(shù)需合理選擇設(shè)計，不能太小也不能過大:太小容易打滑，過大也會將球轉(zhuǎn)子“堵死”。這里選擇用硬木材料，它和球轉(zhuǎn)子的摩擦因數(shù)為0.3左右。彈簧b在這套機(jī)構(gòu)里的目的是確保加力螺桿往回擰時，硬木壓頭也會隨之反彈而脫離球轉(zhuǎn)子，方便調(diào)試。加力移塊的中心處有一個內(nèi)錐型的小凹點(diǎn)，是為了和測力桿頂部錐形頂點(diǎn)配合。這樣設(shè)計的目的是為了使測力桿有微小的活動余量，使其既能與壓力傳感器的觸頭接觸，又不會“跑偏”。

1.2 工作原理

力矩測試機(jī)構(gòu)的工作原理:當(dāng)同時擰緊球轉(zhuǎn)子頂部和底部上的加力螺桿，移塊因為彈簧對它的作用也隨之下降或上升，這時頂部和底部的硬木壓頭就壓住球轉(zhuǎn)子，球轉(zhuǎn)子被兩端的硬木壓頭緊緊地“頂住”。當(dāng)電機(jī)處于工作狀態(tài)時，硬木壓頭與球轉(zhuǎn)子之間發(fā)生相對運(yùn)動，兩者的摩擦力使測力桿產(chǎn)生微量偏移，其中若干個壓力傳感器的觸頭便與測力桿中間的環(huán)形凸臺相接觸，壓力傳感器即產(chǎn)生讀數(shù)。硬木壓頭與球轉(zhuǎn)子之間的摩擦力可根據(jù)力矩平衡的原理換算得到，在球轉(zhuǎn)子的半徑和硬木壓頭個數(shù)給定情況下，便可求得電機(jī)的輸出力矩。

2 測試方法

設(shè)頂部和底部的硬木壓頭對球轉(zhuǎn)子的正壓力均為Fn，當(dāng)硬木壓頭與球轉(zhuǎn)子之間發(fā)生相對運(yùn)動(運(yùn)動趨勢)的情況下，兩者就會產(chǎn)生摩擦力(靜摩擦力)。假定球轉(zhuǎn)子的半徑為r，頂部和底部的硬木壓頭和球轉(zhuǎn)子之間的摩擦力分別為fr1和fr2，如圖3所示。fr1和fr2是一對力偶，它們對球心的力偶矩TL:

式中:μ是球轉(zhuǎn)子和硬木壓頭之間的摩擦因數(shù)。

根據(jù)力矩平衡原理，如圖4所示，可得到凸臺與壓力傳感器的觸頭之間的壓力fr與fr1有以下關(guān)系:

圖3 球轉(zhuǎn)子的力矩示意圖

圖4 測力桿力矩平衡示意圖

凸臺與壓力傳感器的觸頭之間的壓力fr與力傳感器輸出的電信號值Ub滿足線性對應(yīng)關(guān)系，即:

式中:k為力傳感器的輸出電壓信號與所受壓力的比例系數(shù)。

所以，TL可表示:

根據(jù)球轉(zhuǎn)子的動力學(xué)方程，有:

式中:TM為電機(jī)輸出力矩;ωR為球轉(zhuǎn)子的角速度;J為球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。當(dāng)ωR≠0時，μ取動摩擦因數(shù);當(dāng)ωR=0時，μ取靜摩擦因數(shù)。

當(dāng)球轉(zhuǎn)子的角速度ωR趨于穩(wěn)定時，則有:

所以電機(jī)的輸出力矩TM可根據(jù)力傳感器輸出的電信號值Ub得到。

3 實驗測試

3.1 測試電路

力傳感器采用Honeywell的FSG15N1A觸力型壓力傳感器，DIP超小封裝，直徑為5 mm的按鈕作為觸頭，額定負(fù)載為1500 g，有5 kg的過載能力。最小分辨率1 g，線性度和重復(fù)性好，精度完全符合力矩測試機(jī)構(gòu)的要求。

壓力傳感器FSG15N1A的工作電壓為10 V，在額定負(fù)載為1500 g下輸出360 mV的電壓信號，使用時需要把毫伏級的電壓信號放大到伏級。采用兩級放大電路，如圖5所示。第一級選擇高精度運(yùn)放AD620作為小信號的放大，第二級由運(yùn)放OP07完成信號的低通濾波和二次放大。

圖5 信號放大濾波電路

3.2 測試結(jié)果

力矩測試機(jī)構(gòu)在實際測量時需注意以下兩點(diǎn):

(1)在擰緊球轉(zhuǎn)子頂部和底部的兩個加力螺桿時，需保證兩者的螺紋進(jìn)給量一致，使兩端壓頭和球轉(zhuǎn)子之間的壓力值一樣，保證兩端壓頭對球轉(zhuǎn)子的摩擦力(矩)一致。

(2)在擰緊加力螺桿前后，確保測力桿的環(huán)形凸臺和壓力傳感器的觸頭不接觸，壓力傳感器的輸出為零。設(shè)計時它們之間的縫隙距離為0.5 mm，如電機(jī)運(yùn)行前壓力傳感器就有輸出值，說明在加載時測力桿傾斜，環(huán)形凸臺已接觸壓力傳感器的觸頭，需重新加載預(yù)緊力。

首先確定力傳感器輸出電壓值與所受壓力值之間的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)b進(jìn)行標(biāo)定。這里取k=1，標(biāo)定后力傳感器的輸出電壓值Ubs和經(jīng)放大電路輸出的電壓值與所受壓力值Fns之間的關(guān)系如圖6所示，標(biāo)定后Fns=

電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù):L1=40 mm，L2=16 mm，r=20 mm。保持電壓峰峰值Vpp=350 V，在x軸和y軸兩個方向測得的電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩隨預(yù)緊力Fc變化規(guī)律如圖7所示;保持Fc=30 N，在x軸和y軸兩個方向測得的電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩隨電壓峰峰值Vpp變化規(guī)律如圖8所示。從圖中可見，隨著預(yù)緊力和驅(qū)動電壓的增大，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩也相應(yīng)增加。

圖6 力傳感器輸出電壓與正壓力Fns的關(guān)系圖

圖7 電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩隨預(yù)緊力的變化曲線

圖8 電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩隨電壓峰峰值的變化曲線

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型的基于壓力傳感器的二自由度球形超聲波電動機(jī)的力矩測試機(jī)構(gòu)，并根據(jù)力矩平衡原理闡述了測試原理和方法。實驗證明該測試機(jī)構(gòu)能滿足二自由度球形超聲波電動機(jī)力矩的測試要求，具有精度高、結(jié)構(gòu)巧妙和體積緊湊等特點(diǎn)。

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