有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)電流-轉(zhuǎn)角特性測(cè)試方法

李 珊，盧 強(qiáng)，彭 亮，張夢(mèng)文

(西安微電機(jī)研究所有限公司，西安 710117)

0 引 言

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)是一種能在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，并有一定力矩輸出的特殊電機(jī)，該類電機(jī)可直接作為伺服控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、易于控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛的使用于航空伺服閥、衛(wèi)星天線、導(dǎo)彈舵機(jī)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、激光反射鏡等有限轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)裝置的位置伺服控制系統(tǒng)中。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如液壓閥中，通過(guò)油門的開(kāi)啟大小控制液壓油流量大小，控制油閥開(kāi)啟過(guò)程的電機(jī)電流與油門開(kāi)啟的角度成正比。為了滿足精確控制油閥，需要測(cè)量有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的電流-轉(zhuǎn)角特性。國(guó)外軍用標(biāo)準(zhǔn)有專門的電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，但是具體的參數(shù)測(cè)量方法很少公開(kāi)，屬于技術(shù)保密狀態(tài)。而我們國(guó)內(nèi)的軍用標(biāo)準(zhǔn)中未涉及有限轉(zhuǎn)角電機(jī)電流-轉(zhuǎn)角特性測(cè)試這一項(xiàng)目，所以針對(duì)這種情況，測(cè)試方法只能由我們自行研究，提出有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)電流-轉(zhuǎn)角特性測(cè)試方法。

1 電流-轉(zhuǎn)角特性定義

GJB2822-97《有限轉(zhuǎn)角力矩電動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》中未提及電流-轉(zhuǎn)角特性這一項(xiàng)目，也沒(méi)有測(cè)試方法。參考GJB2822-97《有限轉(zhuǎn)角力矩電動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》4.7.16中轉(zhuǎn)矩-電流特性的定義結(jié)合有限轉(zhuǎn)角力矩電動(dòng)機(jī)實(shí)際使用，給出轉(zhuǎn)角-電流特性定義，按電機(jī)專用技術(shù)條件接線，施加給定電流I時(shí)電機(jī)偏轉(zhuǎn)角θ，在規(guī)定最大電流下盡量選取多點(diǎn)測(cè)試，作θ=f(I)曲線。

以某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，其電流轉(zhuǎn)角特性輸出斜率理論值為：28.5°/A，電流-轉(zhuǎn)角特性斜率公式如下:

θ=kθI

(1)

式中，kθ為電流-轉(zhuǎn)角特性輸出斜率;I為電流;θ為轉(zhuǎn)角。

根據(jù)式(1)及理論斜率計(jì)算可得某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)常溫下理論電流-轉(zhuǎn)角特性，如表1所示。

表1 理論電流-轉(zhuǎn)角特性

2 電流-轉(zhuǎn)角特性測(cè)試方法

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量法

任何圖形都是由三維空間點(diǎn)組成的，所有幾何量測(cè)量都可以歸結(jié)為三維空間點(diǎn)的測(cè)量。三坐標(biāo)是建立在對(duì)工件進(jìn)行坐標(biāo)系數(shù)值采集的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立在空間幾何基礎(chǔ)上的軟件模塊運(yùn)算，迅速得出所要的結(jié)果。

三坐標(biāo)測(cè)量：將被測(cè)零件放入允許的測(cè)量空間范圍內(nèi)，探針接觸測(cè)試平面，在平面多點(diǎn)采集，計(jì)算機(jī)自動(dòng)擬合采集點(diǎn)形成平面，最終顯示測(cè)量平面在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值。轉(zhuǎn)動(dòng)平面，重復(fù)上次的操作，得出新平面的在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，三坐標(biāo)的專用測(cè)試軟件直接計(jì)算出平面之間的夾角，此夾角就是電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角。

電機(jī)放置在三坐標(biāo)測(cè)試平臺(tái)的有效測(cè)試范圍內(nèi)，固定電機(jī)，保證電機(jī)不發(fā)生二次移動(dòng)，防止造成測(cè)試誤差。給有限轉(zhuǎn)角力矩電動(dòng)機(jī)施加電流，電機(jī)轉(zhuǎn)軸開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸是光軸且連續(xù)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，三坐標(biāo)無(wú)法確定基準(zhǔn)平面和測(cè)試點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)出如圖1所示的工裝與電機(jī)連接，給電機(jī)轉(zhuǎn)軸做平面聯(lián)軸器，拋光平面，保證平面度良好，聯(lián)軸器緊固在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸平面不能做得太長(zhǎng)，避免電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶的負(fù)載慣量過(guò)重，影響轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度，影響測(cè)試精度。給電機(jī)施加電流后，電機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)聯(lián)軸器上的平面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)三坐標(biāo)可以通過(guò)轉(zhuǎn)軸的平面上采點(diǎn)，得到一個(gè)平面的數(shù)據(jù)。給電機(jī)施加另一電流值，重復(fù)上述方法測(cè)試，得到第二個(gè)平面的數(shù)據(jù)，計(jì)算出兩平面的夾角，此夾角即為電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角。三坐標(biāo)在一個(gè)平面盡可能多點(diǎn)采集，保證平面擬合的準(zhǔn)確性。

圖1 工裝圖

以某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例：電機(jī)不通電，采集平面上不同位置的點(diǎn)，三坐標(biāo)測(cè)試軟件構(gòu)建平面，顯示此平面X、Y、Z三坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，選取此平面作基準(zhǔn)平面0。電機(jī)施加電流10 mA，電機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，重復(fù)上述測(cè)試方法，測(cè)取平面1，專用測(cè)試軟件通過(guò)計(jì)算面1與基準(zhǔn)平面0的夾角θ1，此夾角θ1就是電機(jī)施加電流10 A對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。電機(jī)輸入電流10、20、30、40…250、240、230、220…0 mA依次測(cè)試在對(duì)應(yīng)電流下電機(jī)的各偏轉(zhuǎn)角。

操作注意事項(xiàng)：有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)精確施加電流，電流過(guò)量或者欠量會(huì)造成角度測(cè)試誤差，最終電流-轉(zhuǎn)角特性擬合線性存在偏差。同電流下轉(zhuǎn)角不同，擬合的電流-轉(zhuǎn)角線性差距很大，如圖2、圖4、圖5所示。有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)存在磁滯現(xiàn)象，如表2所示電流從0～250 mA逐漸上升和電流從250～0 mA逐漸下降，在電機(jī)同一電流點(diǎn)下的偏轉(zhuǎn)角不一致，一旦電流施加不準(zhǔn)確，則需要重新測(cè)試。由于目測(cè)電流表施加電流，人工測(cè)試誤差大，所以選取程控電源施加電流保證電流的精確性。以31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，三坐標(biāo)法測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。其中電流從0～250 mA每隔10 mA逐漸上升，增加10 mA電流對(duì)應(yīng)電機(jī)理論偏轉(zhuǎn)0.285°，對(duì)應(yīng)電流下它的誤差=(θi-θi-1-0.285)；電流從250～0 mA每隔10 mA逐漸下降，對(duì)應(yīng)電流下它的誤差=(θi-1-θi-0.285)。按下式計(jì)算三坐標(biāo)法的電流轉(zhuǎn)角特性曲線斜率。

圖2 三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)圖

圖4 自整角機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)圖

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)圖

表2 三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)

(2)

2.2 角位置傳感器測(cè)量法

用角位置傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度。角位置傳感器有自整角機(jī)、旋變、編碼器、電位器等?？梢愿鶕?jù)被測(cè)電機(jī)的精度要求、電機(jī)大小、資金需求，選取合適的傳感器。在選取角位置傳感器時(shí)，如表3所示，需要選用慣量的小于0.86的位置傳感器，否則有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)通電后運(yùn)行不正常，影響測(cè)試。

表3 有限轉(zhuǎn)角起動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

同一工裝下，選取兩種摩擦力矩近似一樣的角位置傳感器自整角機(jī)跟旋轉(zhuǎn)變壓器做比對(duì)試驗(yàn)，自整角機(jī)帶工裝的摩擦力矩為0.408 mN·m,旋轉(zhuǎn)變壓器帶工裝的摩擦力矩為0.490 mN·m,因此本次實(shí)驗(yàn)選取自整角機(jī)精度單峰值0.050°(3′)跟旋轉(zhuǎn)變壓器精度單峰值為0.003°(10″)，兩種精度的角位置傳感器作比對(duì)。

測(cè)試裝置如圖3所示：將有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)與角位置傳感器安裝在L型試驗(yàn)支架上，保證同軸度，剛性聯(lián)軸器連接保證角度傳輸同步。

圖3 工裝測(cè)試圖

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子按零位刻線調(diào)零，按上述圖3安裝電機(jī)，按專用技術(shù)條件規(guī)范要求接線，電機(jī)不通電，記錄此時(shí)角位置指示儀的角度數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)作為機(jī)械零位角度。由于目測(cè)電流表每10 mA施加電流，人員測(cè)試誤差大，所以選取程控電源施加電流保證電流的精確性。電機(jī)輸入電流10、20、30、40…250、240、230、220…0 mA依次測(cè)試對(duì)應(yīng)電流下電機(jī)的角度，各電流下的角度跟機(jī)械零位角度讀數(shù)作差，即為對(duì)應(yīng)電流下電機(jī)的轉(zhuǎn)角。

2.2.1 以自整角機(jī)作為角位置傳感器

以某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，選取自整角機(jī)作為角位置傳感器進(jìn)行測(cè)試。自整角機(jī)作為軸角測(cè)量元件，轉(zhuǎn)動(dòng)軸剛性連接，具有很好的同步隨動(dòng)功能。自整角機(jī)精度單峰值0.167°。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

2.2.2 以旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位置傳感器

以某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，選取旋變作為角位置傳感器進(jìn)行測(cè)試。旋轉(zhuǎn)變壓器通常用作角度位置反饋元件，通過(guò)R/D數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行解碼后，應(yīng)用于有高精度定位要求的高性能伺服系統(tǒng)中。選取精度單峰值為0.003°的旋轉(zhuǎn)變壓器。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以某31有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，常溫下理論電流-轉(zhuǎn)角特性性能指標(biāo)為：28.5(1±30%)°/A。根據(jù)圖2、圖4、圖5統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)電流-轉(zhuǎn)角線性，如表6所示，兩種測(cè)試方法的測(cè)試數(shù)據(jù)均符合要求。

表6 兩種測(cè)試方法電流-轉(zhuǎn)角線性度

綜上所述，三坐標(biāo)法測(cè)量電流-轉(zhuǎn)角特性，轉(zhuǎn)軸負(fù)載僅有極小慣量的聯(lián)軸器，三坐標(biāo)測(cè)量法屬于直接測(cè)量，最接近電機(jī)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)并且三坐標(biāo)的測(cè)試精度極高，如圖2所示，三坐標(biāo)法測(cè)量電流-轉(zhuǎn)角特性曲線數(shù)據(jù)非常接近理論要求數(shù)據(jù)，如表7所示，三坐標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)最大誤差0.240°，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性最高。但是三坐標(biāo)測(cè)試環(huán)境要求較高，而且設(shè)備昂貴，需專人測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)地固定，靈活性不高，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)。

表7 兩種方法電流-轉(zhuǎn)角特性測(cè)試數(shù)據(jù)最大誤差

以角位置傳感器測(cè)試法，測(cè)試精度略差三坐標(biāo)，但是測(cè)試裝置搭建簡(jiǎn)單，測(cè)試裝置造價(jià)便宜，測(cè)試環(huán)境要求不高，測(cè)試場(chǎng)地選擇靈活。如表6所示，自整角機(jī)測(cè)試最大誤差0.270°，旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試最大誤差0.266°，旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試精度略高于自整角機(jī)，但是角位置傳感器有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是在一些環(huán)境測(cè)試的使用場(chǎng)合，可以滿足測(cè)試。三坐標(biāo)無(wú)法隨意移動(dòng)到環(huán)境測(cè)試箱體旁，更無(wú)法在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

以某31機(jī)座號(hào)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，最大電流下的偏轉(zhuǎn)角不到7°，選取10 mA為間隔測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試50個(gè)點(diǎn)，角度偏轉(zhuǎn)在0.285°，測(cè)試要求極高。選取小偏轉(zhuǎn)角有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，多點(diǎn)密集測(cè)試，為了驗(yàn)證測(cè)試方法并放大測(cè)試方法的差異。誤差越小說(shuō)明測(cè)試數(shù)據(jù)越接近理論數(shù)據(jù)，測(cè)試方法越優(yōu)。

綜上所述：如表7所示，三坐標(biāo)測(cè)量法的誤差小于角位置傳感器測(cè)量法；電流-轉(zhuǎn)角線性度由于角位置傳感器測(cè)量法。在同一工裝摩擦力相近的情況下，自整角機(jī)精度0.05°，旋轉(zhuǎn)變壓器0.003°，旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)的精度和電流-轉(zhuǎn)角特性曲線斜率略高于自整角機(jī)。

測(cè)試工裝的摩擦力和傳感器的自身精度都對(duì)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角-電流特性有影響。如圖2所示，三坐標(biāo)測(cè)試法，測(cè)試精度高，屬于直接測(cè)量，轉(zhuǎn)軸上的摩擦力幾乎可以忽略，曲線最接近理論曲線。

角位置傳感器測(cè)量法屬于間接測(cè)試，如表3、表4、表5、圖4、圖5所示，角位置傳感器測(cè)量法，因?yàn)檎w測(cè)試工裝存在摩擦力，在小電流時(shí)，有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)輸出力矩很小，整體工裝摩擦力對(duì)其影響較大，有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)隨著電流增大轉(zhuǎn)矩增大，摩擦力影響變小。如果工裝的摩擦力矩大于最低測(cè)試電流10 mA下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩0.96 mN·m，此電流下電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角為0，選取角位置傳感器時(shí)，它的摩擦力一定要小于被測(cè)電機(jī)的最小測(cè)量值下對(duì)應(yīng)的力矩，摩擦力越小，數(shù)據(jù)越接近理論值。選取角位置傳感器時(shí)，傳感器的精度與測(cè)試精度的比值小于20%。如果精度太低，會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)偏離。例如，自整角機(jī)的測(cè)試精度10′=0.167°，理論測(cè)試值0.285°，在加上工裝整體摩擦力矩會(huì)造成整體測(cè)試數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離。

表4 自整角機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以一臺(tái)某31有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)進(jìn)行分析測(cè)試，測(cè)試方法從無(wú)到有，期間不停測(cè)試驗(yàn)證優(yōu)化。詳細(xì)講述三種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)。有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中，主要考核電流-轉(zhuǎn)角特性的曲線斜率，在理論要求值得上下偏差范圍內(nèi)即可。以某31有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為例，常溫下理論電流-轉(zhuǎn)角特性性能指標(biāo)為：28.5(1±30%)°/A。如表6所示，兩種測(cè)試方法的電流-轉(zhuǎn)角特性完全符合要求。三坐標(biāo)測(cè)試法、傳感器對(duì)拖法均滿足有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)電流-轉(zhuǎn)角特性的測(cè)試要求。從研究的角度來(lái)說(shuō)，首選三坐標(biāo)測(cè)量方法，測(cè)試精度高，測(cè)試各項(xiàng)數(shù)據(jù)都最優(yōu)；從工程級(jí)來(lái)說(shuō)，在滿足要求的前提下，首選傳感器測(cè)試法，儀器儀表資金投入大，不需要專人測(cè)試，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短，測(cè)試效率高。