動(dòng)壓陀螺馬達(dá)力矩測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

焦智

摘 要： 以工控機(jī)、馬達(dá)力矩測(cè)量平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡為核心，設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)壓陀螺馬達(dá)力矩測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)加速度計(jì)（陀螺）動(dòng)壓馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦轉(zhuǎn)矩及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確測(cè)量。同時(shí)，基于LabVIEW軟件平臺(tái)完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)壓陀螺馬達(dá)力矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成無(wú)人值守的自動(dòng)化測(cè)試。

關(guān)鍵詞： 陀螺馬達(dá)； 力矩測(cè)量系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； 實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34； TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)壓陀螺馬達(dá)是陀螺儀的重要部件，其內(nèi)部采用獨(dú)特的懸浮技術(shù)，具有精度高、功耗低、壽命長(zhǎng)及可靠性高等特點(diǎn)。動(dòng)壓陀螺馬達(dá)不同于一般的小功率驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，其轉(zhuǎn)子在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下做高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小間隙中的氣膜產(chǎn)生動(dòng)壓力，使轉(zhuǎn)子同球體脫離機(jī)械接觸，在自重或加速度過(guò)載作用下保持轉(zhuǎn)子在空間穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)動(dòng)壓陀螺馬達(dá)時(shí)應(yīng)保證馬達(dá)通電后能產(chǎn)生足夠大的起動(dòng)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(dòng)力矩正比于電壓值的平方，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中采取的具體措施是將起動(dòng)電壓提高到2～6倍工作電壓。因此，力矩的測(cè)試對(duì)于研究動(dòng)壓陀螺馬達(dá)性能、保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行極其重要[5?9]。

1 力矩測(cè)量原理

采用應(yīng)變片電測(cè)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(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變電信號(hào)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(hào)[10?13]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

根據(jù)動(dòng)壓陀螺馬達(dá)的測(cè)試性能要求，力矩測(cè)量系統(tǒng)需完成對(duì)陀螺馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩及勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：測(cè)量轉(zhuǎn)矩范圍為10～50 gcm；檢測(cè)精度（誤差）≤1%；轉(zhuǎn)速條件為5 000 r/min。常用的力矩測(cè)量平臺(tái)主要由力矩傳感器、氣缸、空氣主軸、被測(cè)軸及傳動(dòng)主軸等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)與負(fù)載相連，力矩傳感器通過(guò)空氣主軸與被測(cè)軸相連，傳動(dòng)主軸負(fù)責(zé)傳遞動(dòng)壓陀螺馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)力矩傳感器即可測(cè)得馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的力轉(zhuǎn)矩[14?15]。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)壓陀螺馬達(dá)力矩測(cè)量系統(tǒng)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、馬達(dá)力矩測(cè)量平臺(tái)、力矩測(cè)量傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、動(dòng)壓馬達(dá)供電電源、鍵盤(pán)、顯示器、通信接口、馬達(dá)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(jī)為主控制器，主要完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋９た貦C(jī)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(hào)，又要接收力矩測(cè)量傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字脈沖信號(hào)，并對(duì)實(shí)時(shí)采集的各種信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算電機(jī)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(guó)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(gè)16位模擬輸出；2路32位計(jì)數(shù)器。本測(cè)試系統(tǒng)選用3路模擬輸入對(duì)電機(jī)負(fù)載的三相電流量進(jìn)行測(cè)量，3路模擬輸入對(duì)電源電壓進(jìn)行測(cè)量。2路32位的計(jì)數(shù)器用于力矩測(cè)量和電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量。

2.4 力矩測(cè)量范圍

力矩測(cè)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(hào)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(yáng)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(jí)均為0.5級(jí)，滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)要求。