动压陀螺马达力矩测量系统的设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇动压陀螺马达力矩测量系统的设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要： 以工控机、马达力矩测量平台、数据采集卡为核心，设计了一种新型动压陀螺马达力矩测量系统，能够实时动态地对加速度计（陀螺）动压马达启动时的静摩擦转矩及运转时动摩擦转矩进行精确测量。同时，基于LabVIEW软件平成了系统软件设计，实现了动压陀螺马达力矩、转速、电流、电压等数据的实时采集及实时曲线显示。该系统可实现对马达性能的实时监控，完成无人值守的自动化测试。

关键词： 陀螺马达； 力矩测量系统； 数据采集； 实时监控

中图分类号： TN02?34； TM93 文献标识码： A 文章编号： 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

动压陀螺马达是陀螺仪的重要部件，其内部采用独特的悬浮技术，具有精度高、功耗低、寿命长及可靠性高等特点。动压陀螺马达不同于一般的小功率驱动马达，其转子在马达驱动下做高速转动时，小间隙中的气膜产生动压力，使转子同球w脱离机械接触，在自重或加速度过载作用下保持转子在空间稳定。因此，在设计动压陀螺马达时应保证马达通电后能产生足够大的起动力矩，使轴承能迅速克服干摩擦而脱离球体，形成气膜，以免损坏轴承[1?4]。由于动力矩正比于电压值的平方，所以在实际设计中采取的具体措施是将起动电压提高到2～6倍工作电压。因此，力矩的测试对于研究动压陀螺马达性能、保证系统可靠运行极其重要[5?9]。

1 力矩测量原理

采用应变片电测技术的传感器在弹性轴上组成应变桥，只要向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变电信号经放大、压/频转换后即可得到与扭应变成正比的频率信号[10?13]。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件框图

根据动压陀螺马达的测试性能要求，力矩测量系统需完成对陀螺马达启动时最大静摩擦转矩及匀速转动时动摩擦转矩的测量，系统的主要技术指标包括：测量转矩范围为10～50 gcm；检测精度（误差）≤1%；转速条件为5 000 r/min。常用的力矩测量平台主要由力矩传感器、气缸、空气主轴、被测轴及传动主轴等几部分组成，其结构如图2所示。电机与负载相连，力矩传感器通过空气主轴与被测轴相连，传动主轴负责传递动压陀螺马达的转矩，通过力矩传感器即可测得马达转动的力转矩[14?15]。

本文设计的动压陀螺马达力矩测量系统主要由工控机、数据采集卡、马达力矩测量平台、力矩测量传感器、转速测量传感器、动压马达供电电源、键盘、显示器、通信接口、马达接口电路及电压电流传感变送器等模块组成，系统框图如图3所示。

2.2 主控制器

系统以研华公司的ARK?3440工控机为主控制器，主要完成系统实时控制及数据传输等功能。工控机既要接收数据采集卡采集的三相电压及电流等模拟信号，又要接收力矩测量传感器及转速传感器的数字脉冲信号，并对实时采集的各种信号进行处理，计算电机的转速、力矩值及三相电压/电流值并送显示器显示（研华公司19寸触屏FPM?3191G显示器）。

2.3 数据采集卡

数据采集卡选用美国NI公司PCI?6259，采样率为1.25 MS/s，采样位数为16 b；32路模拟输入；48路数字I/O；4个16位模拟输出；2路32位计数器。本测试系统选用3路模拟输入对电机负载的三相电流量进行测量，3路模拟输入对电源电压进行测量。2路32位的计数器用于力矩测量和电机转速测量。

2.4 力矩测量范围

力矩测量传感器量程范围为0～0.05 N・m；精度为±0.2%；转速范围为0～6 000 r/min；环境温度为-20～60 ℃；频率响应为100 μs；传感器直接输出的频率信号为5～15 kHz。电压传感器变送器、电流传感器变送器、功率传感器变送器均选用沈阳仪表科学研究院系列产品，工作稳定、工作温度范围宽、隔离性能好、输出均为4～20 mA的直流电流、精度等级均为0.5级，满足系统指标要求。

3 系统软件设计

3.1 软件系统框图

为实现动压陀螺马达力矩测试系统高效的测试性能，不仅需要性能良好的硬件电路，还需要有高效可靠的软件系统。动压马达力矩测量系统软件是基于LabVIEW软件平台开发的，主要包括五个模块：参数设置、主界面、存储数据、实时曲线和实时数据，各功能模块之间可以进行自由切换。软件系统框图如图4所示。

3.2 各组成模块及功能

参数设置模块实现马达开始和停止的设置，并可显示马达工位和马达状态。完成参数设置才能进入主界面或实时曲线界面进行数据观测。主界面模块显示各路马达的力矩、转速、电流、电压、反向电动势以及报警状态。当某路电压值异常时，显示界面上该路马达报警状态灯亮，同时上位机发出信号完成硬件断电保护。主界面显示如图5所示。

实时曲线模块以图表的形式分别显示马达的力矩、电流/电压等数据曲线。单击每个图表后可单独显示该路马达的实时数据和曲线，如图6所示。当各路电压值异常时，界面上该路马达报警状态灯亮，同时上位机发出信号完成硬件断电保护。

存储数据模块主要用来存储历史数据，通过设置起始时间、时间长度、时间间隔三个查询条件进行历史数据的查询。查询结果以表格形式显示，内容包括时间、工位、力矩、转速、电流、电压值，也可将查询结果以Excel格式导出，便于打印查询结果。实时数据模块以表格的形式实时显示马达的工位、力矩、转速、电流、电压值以及报警状态值。当各路电流、电压值异常时，界面上该路马达报警状态灯亮，同时上位机发出信号完成硬件断电保护。实时数据显示界面如图7所示。

4 试验及数据分析

4.1 试验内容

在常温常压状态下基于动压陀螺马达力矩测量系统进行两部分试验。

（1） 测试动压陀螺马达力矩测量系统的电压、电流和功率，该实验分三组完成。由供电电源输出三组标称电压，分别为20 V，40 V和55 V。供电电压对马达供电，基于LabVIEW的上位机系统分别对马达的AB，BC，CA三相电压、电流进行测试，分别计算功率值。同时用日本横河Yokogawa数字功率计WT230对上述三相电压、电流和功率进行测试，两组数据进行比较，进行误差分析。

（2） 对陀螺马达启动时的最大静摩擦转矩及匀速转动时动摩擦转矩进行测量。在如图2所示的结构下连接电机上电工作，采用基于LabVIEW的上位机对扭矩传感器的数据进行采集。电机以5 000 r/min的转速匀速转动，改变气缸压力，改变马达的转矩，实现马达动摩擦转矩的测试。本实验在同一状态下分别获得四组静摩擦和动摩擦数据，与理论的动摩擦力矩进行比较分析。

4.2 数据分析

动压陀螺马达力矩测量系统测试指标如下：

（1） 测量转矩范围为10～50 gcm，检测精度（误差）≤1%；

（2） 电压量程为0～75 V，精度为1%；

（3） 电流量程为0～500 mA，精度为±1%；

（4） 功率量程为0～10 W，精度为±2%。

对于马达电压、电流及功率数据，将采用WT230功率计测量得到的数据与经本系统测试得到的数据进行对比，如表1所示。通过比较三组标称电压，本系统对动压马达电压、电流及功率的测试满足设计要求。

对于静态及动态摩擦转矩数据，系统在5 000 r/min的转速条件下，通过改变气缸的气压改变负载，分别对空载状态下的静摩擦转矩及不同负载情况下的动摩擦转矩进行测量并计算误差，测量数据如表2所示。可见，本系统对动压马达摩擦转矩的测试满足设计要求。

5 结 论

本文设计的动压陀螺马达力矩测量系统能够实现加速度计（陀螺）动压马达力矩、转速和工作电流与电压的自动测量。经大量实验测试证明，本系统能较好地完成马达的测试任务，测试数据的可信度高，测试精度高于传统的测试设备，大大提高了测试效率。系统人机界面简捷、操作方便，测试结果直观并可根据需求设置，能自动完成动压陀螺马达转速性能的实时监控，在惯组生产测试过程中具有实际意义。

参考文献

[1] 梁爽.低速永磁力矩电机转矩波动测试方法研究[D].哈滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2] 陈钊.控制力矩陀螺控制方法及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[3] 丁长虹.电机力矩测试设备的研究[D].长春：长春理工大学，2013.

[4] 韦雪洁，李万军，孙薇，等.LabVIEW在加速度计动压马达跑合监测系统中的应用[J].测控技术，2015（9）：107?110.

[5] 王政，刘国海，沈跃.基于LabVIEW电能质量监测及其数据存储格式的研究[J].电测与仪表，2013，50（6）：83?87.

[6] 郭华安，加玛力汗・库马什，聂盼.基于LabVIEW的电能质量监测与分析系统设计[J].制造业自动化，2013，35（4）：107?109.

[7] 易维坤.惯性仪表制造中的特种加工技术[J].航天工艺，2000（4）：32?37.

[8] 张宇，黄伟志，郝石.基于LabVIEW的多功能数据采集系统的设计与实现[J].自动化仪表，2013，34（8）：24?26.

[9] 聂晶，王建华.叶片式气马达传动装置出口冷气特性研究[J].液压与气动，2013（11）：75?78.

[10] 赵春海.动压气浮陀螺马达装配工艺的研究[J].导弹与航天运载技术，1993（4）：52?58.

[11] 冯炳.摩擦力矩的测试方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[12] 李建春，冯浩，王晓瑜，等.气体动压轴承技术在陀螺电机中的应用[J].微电机，2012，45（6）：80?82.

[13] 李绪友，梁辉，邹继斌.捷联式惯导系统中加速度计的数据采集[J].传感器技术，2005，24（6）：20?22.

[14] 王晓瑜.半球动压马达的可靠性研究[C]//中国惯性技术学会第五届学术年会论文集.北京：中国惯性技术学会，2006：76?85.

[15] 王晓琳，陈家斌，邹向阳.惯性仪表数据采集的一种实现方法[J].仪器仪表用户，2004，11（6）：80?82.