動壓陀螺馬達力矩測量系統(tǒng)的設(shè)計

焦智

摘 要： 以工控機、馬達力矩測量平臺、數(shù)據(jù)采集卡為核心，設(shè)計了一種新型動壓陀螺馬達力矩測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r動態(tài)地對加速度計（陀螺）動壓馬達啟動時的靜摩擦轉(zhuǎn)矩及運轉(zhuǎn)時動摩擦轉(zhuǎn)矩進行精確測量。同時，基于LabVIEW軟件平臺完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)了動壓陀螺馬達力矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等數(shù)據(jù)的實時采集及實時曲線顯示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對馬達性能的實時監(jiān)控，完成無人值守的自動化測試。

關(guān)鍵詞： 陀螺馬達； 力矩測量系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； 實時監(jiān)控

中圖分類號： TN02?34； TM93 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）09?0125?04

Abstract： A new torque measuring system of the dynamic pressure gyro motor was designed by taking the industrial personal computer， motor torque measuring platform and data acquisition card as the cores， which can accurately measure the static friction torque when the dynamic pressure gyro motor is started in real time， and the dynamic friction torque when the dynamic pressure gyro motor is running in real time. The system software was designed on the basis of LabVIEW software platform to realize the real?time acquisition and curve display of the torque， rotate speed， current， voltage and other data of the dynamic pressure gyro motor. The system can monitor the performance of the motor in real time， and accomplish the unattended automatic test.

Keywords： gyro motor； torque measuring system； data acquisition； real?time monitoring

動壓陀螺馬達是陀螺儀的重要部件，其內(nèi)部采用獨特的懸浮技術(shù)，具有精度高、功耗低、壽命長及可靠性高等特點。動壓陀螺馬達不同于一般的小功率驅(qū)動馬達，其轉(zhuǎn)子在馬達驅(qū)動下做高速轉(zhuǎn)動時，小間隙中的氣膜產(chǎn)生動壓力，使轉(zhuǎn)子同球體脫離機械接觸，在自重或加速度過載作用下保持轉(zhuǎn)子在空間穩(wěn)定。因此，在設(shè)計動壓陀螺馬達時應(yīng)保證馬達通電后能產(chǎn)生足夠大的起動力矩，使軸承能迅速克服干摩擦而脫離球體，形成氣膜，以免損壞軸承[1?4]。由于動力矩正比于電壓值的平方，所以在實際設(shè)計中采取的具體措施是將起動電壓提高到2～6倍工作電壓。因此，力矩的測試對于研究動壓陀螺馬達性能、保證系統(tǒng)可靠運行極其重要[5?9]。

1 力矩測量原理

采用應(yīng)變片電測技術(shù)的傳感器在彈性軸上組成應(yīng)變橋，只要向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變電信號經(jīng)放大、壓/頻轉(zhuǎn)換后即可得到與扭應(yīng)變成正比的頻率信號[10?13]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

根據(jù)動壓陀螺馬達的測試性能要求，力矩測量系統(tǒng)需完成對陀螺馬達啟動時最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩及勻速轉(zhuǎn)動時動摩擦轉(zhuǎn)矩的測量，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：測量轉(zhuǎn)矩范圍為10～50 gcm；檢測精度（誤差）≤1%；轉(zhuǎn)速條件為5 000 r/min。常用的力矩測量平臺主要由力矩傳感器、氣缸、空氣主軸、被測軸及傳動主軸等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機與負載相連，力矩傳感器通過空氣主軸與被測軸相連，傳動主軸負責(zé)傳遞動壓陀螺馬達的轉(zhuǎn)矩，通過力矩傳感器即可測得馬達轉(zhuǎn)動的力轉(zhuǎn)矩[14?15]。

本文設(shè)計的動壓陀螺馬達力矩測量系統(tǒng)主要由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、馬達力矩測量平臺、力矩測量傳感器、轉(zhuǎn)速測量傳感器、動壓馬達供電電源、鍵盤、顯示器、通信接口、馬達接口電路及電壓電流傳感變送器等模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 主控制器

系統(tǒng)以研華公司的ARK?3440工控機為主控制器，主要完成系統(tǒng)實時控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。工控機既要接收數(shù)據(jù)采集卡采集的三相電壓及電流等模擬信號，又要接收力矩測量傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字脈沖信號，并對實時采集的各種信號進行處理，計算電機的轉(zhuǎn)速、力矩值及三相電壓/電流值并送顯示器顯示（研華公司19寸觸屏FPM?3191G顯示器）。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司PCI?6259，采樣率為1.25 MS/s，采樣位數(shù)為16 b；32路模擬輸入；48路數(shù)字I/O；4個16位模擬輸出；2路32位計數(shù)器。本測試系統(tǒng)選用3路模擬輸入對電機負載的三相電流量進行測量，3路模擬輸入對電源電壓進行測量。2路32位的計數(shù)器用于力矩測量和電機轉(zhuǎn)速測量。

2.4 力矩測量范圍

力矩測量傳感器量程范圍為0～0.05 N·m；精度為±0.2%；轉(zhuǎn)速范圍為0～6 000 r/min；環(huán)境溫度為-20～60 ℃；頻率響應(yīng)為100 μs；傳感器直接輸出的頻率信號為5～15 kHz。電壓傳感器變送器、電流傳感器變送器、功率傳感器變送器均選用沈陽儀表科學(xué)研究院系列產(chǎn)品，工作穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、隔離性能好、輸出均為4～20 mA的直流電流、精度等級均為0.5級，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。