李兵强,林 辉,谢世杰(西北工业大学,陕西西安710072)
摘 要:针对光电编码器间接测量电机转轴角加速度时存在易受干扰、计算量大和存在较大延迟等问题,利用牛顿运动学第一定律,通过分析角加速度与转矩的关系,将对角加速度的测量转换为对转矩信号的测量,设计了应用于被动式电动加载系统的角加速度计。试验结果表明,该角加速度计设计合理,精度高、温漂小、动态响应快、抗干扰能力强,有效解决了被动式电动加载系统角加速度的测量问题。
关键词:角加速度计;电动加载;电机控制;转矩传感器
中图分类号: TM 38 文献标识码:A 文章编号: 1004-7018(2010)07-0038-03
0引 言
角加速度是角位移对时间的二次微分,也是角速度对时间的一次微分。角加速度计是一种测量角加速度的惯性传感器,它在汽车、航空航天、工业、电子等领域有着广泛应用[1-2]。在惯性传感器中,角加速度计没有像线加速度计和陀螺那样受到更大的关注,因而目前可选的产品种类不够丰富,并且价格异常昂贵。
被动式电动加载系统需要进行多余力的消除,由文献[3-4]可知,这需要精确测量电机转轴角加速度。在该文献中,通过光电编码器测得位置信号,然后进行两次微分获得角加速度信号。然而,由于微分的存在,使得系统的抗干扰性变差,存在较大延迟[5],并且控制器连续捕获光电编码器脉冲将增大控制器的计算开销,不利于整个电动加载系统先进控制律的使用和控制频次的增加,大大影响了被动式电动加载系统的控制效果。由文献[5]可知,除了对角位置或角速度进行微分外,还有后滤波技术、线性状态观测器技术等间接测量方法,这些方法同样计算量大,不利于整个加载系统实时性的提高。针对此问题,本文通过分析与角加速度信号相关的物理量,利用牛顿运动学第一定律,将对角加速度的测量转换为对转矩的测量,设计了应用于被动式电动加载系统这一超高性能电机控制应用的角加速度计,为实现高性能被动式电动加载奠定了基础。
1角加速度计方案
角加速度计用于测量电机转动过程的瞬时角加速度,从而计算电动加载系统中的多余力[3-4],因此,角加速度计与电机转轴同轴相连。本方案通过在电机转轴上安装一附加旋转体,通过测量附加旋转体与电机转轴之间的转矩来估算电机角加速度,如图1所示。
1.1角加速度信号与转矩信号的关系
根据牛顿运动学第一定律可知转矩T和转动惯量J、角加速度ω·的关系为:
可见,对于已知的转动惯量J,通过测量电机转轴与附加旋转体之间的转矩,便可计算出角加速度。
1.2附加旋转体设计
附加旋转体采用圆柱体,如图1所示。设计角加速度计量程为10 000 rad/s2,转矩传感器量程定为1 N·m,由式(1)可得附加旋转体的转动惯量:
令半径R=25 mm,由圆柱体转动惯量计算公式:
可求得圆柱体长度为l=20. 89 mm,其中M为圆柱体质量。
如图1所示,角加速度计左端与电机转轴尾端通过联轴器相连,中间部分为测量附加旋转体与电机转轴之间扭矩的转矩传感器,采用电桥应变片进行测量,其设计在本文后续部分将进行详细分析。角加速度计右端为一微摩擦轴承,通过支架固定,防止附加旋转体给转矩测量部分产生附加径向载荷,影响测量精度。
传感器引线通过LPT012滑环与外部相连,实现信号传递。需要说明的是,由于寿命问题,滑环对于旋转轴转矩测量并不是一个很好的解决方案,近来已经逐渐被摒弃,但对被动式电动加载系统而言,其一次试验工作过程时间以毫秒计,因此,其寿命不是问题。
2转矩传感器设计
图2为转矩测量结构图。±15 V电源采用具有较低纹波的外部模拟电源,经高精密电压参考转换为高精密、高稳定、低温漂的+10 V电源,给电桥应变片电路供电。应变片输出的毫伏级小信号经仪表放大器放大处理后,通过电压电流转换(V/I)电路转换为电流信号输出,增强系统抗干扰能力。
2.1精密稳压电源电路设计
由文献[6-8]可知,惠斯通电桥电源影响桥路输出和灵敏度。本系统所用应变片需10 V电源供电,基于可编程精密电压参考AD584的精密稳压电源电路如图3所示。
AD584是一款八引脚精密基准电压源,提供引脚可编程的四种常用输出电压选择: 10 V、7. 5 V、5V和2. 5 V。高于、低于或介于四种标准输出之间的其它输出电压,可以通过外部电阻来设置。其输出电压精度可达1‰,温度稳定度优于5 ppm/℃,可输出10 mA的电流,是惠斯通电桥供电电源的理想选择。经测试,其输出电压为10. 002 V。
2.2差分放大电路设计
本系统所用惠斯通电桥输出灵敏度只有0. 979mV/V,即使在满量程情况下,最大输出也只有10mV左右,这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低温漂等特点。在一般信号放大应用中通常只要通过差动放大电路即可满足需求,然而基本的差动放大电路精度较差,且差动放大电路改变放大增益时,必须调整两个电阻,使得影响整个信号放大精确度的因素更加复杂。仪表放大器由于采用数字方法或单一外部电阻设置放大增益,无上述缺点,本文采用AD620仪表放大器放大应变片输出信号。
图4为基于AD620的惠斯通电桥差分放大电路。其增益由电阻R2设置,采用精度为1‰的高精度电阻,放大倍数计算公式:
应变片电桥电路输出的信号在-10 mV~+10mV之间,经AD620放大215. 78倍后,其输出在-2 157. 8 mV~+2 157. 8 mV之间,为了后级电路处理的需要,需要将负电压调整成正电压,图4中AD620的REF引脚接2. 5 V电压参考,可将AD620输出电平提升至342. 2 mV~4 657. 8 mV之间。其具体计算公式:
其中:u为惠斯通电桥输出电压; uout为放大器输出电压。
2.3V/I转换电路设计
加速度计工作的电磁环境恶劣,若采用电压信号进行传输,存在易受干扰的问题。为了提高系统抗干扰性,将调理后的电压信号转换为电流信号进行传输。
V/I转换电路采用高精度电压电流转换器XTR111,支持标准0~20 mA、4~20 mA及5~25mA模拟电流输出,并提供输出误差检测与输出禁用功能,可输出电流高达36 mA。XTR111采用一个外部电阻设定电压-电流转换比例,转换精度0·015%,非线性度0. 002%,温漂5 ppm/℃,失调电压漂移1μV/℃,单电源工作,成本低廉,若与外部MOSFET相结合,XTR111可实现电压扩展,支持低于接地的电压,并易于降低功耗。
如图5所示,XTR111采用了一个外部电阻RSET进行电压电流转换增益的设置,其转换表达式:
为保证转换精度,RSET选用阻值2. 49 kΩ、精度1‰的电阻。
3试验与结果分析
由式(1)可知,只要保证精确测量转矩,就可准确计算出角加速度值。因此,测试分两部分,一是测试所设计的转矩测量电路部分的线性度和准确度,二是对转矩进行校准测试,这通过与一标准转矩传感器相对比来实现。
图6为角加速度计测试装置结构图。磁粉制动器用于静态加载,保证整个轴系在外力作用下不转动。标准转矩传感器为JN338V型小量程无摩擦力矩传感器(0. 5级精度, 2 N·m量程),用于角加速度计转矩校准。角加速度计上转矩传感器转矩量程 1 N·m,满量程输出为-10 mV~+10 mV,在其右侧施加静态扭矩,进行测试。
图7为角加速度计转矩测量电路部分测试曲线,为所设计转矩传感器输出电压和整个系统输出电流的对应关系。图中“*”点表示实际测试值,直线为根据所测数据最小二乘法拟合所得,图7a、图7b方程分别为:
据式(4)、式(5)和式(6)可得Iout与u的理论关系:
比较式(7)、式(8)和式(9)可知,理论输出与实际输出基本符合,增益偏差为0. 1%,偏置偏差为0·07%,具有较高的精度。
图8为转矩校准测试曲线,表示的是测试转矩与标准转矩的对应关系,图中“*”点表示测试值,直线斜率为1,用于与测试值进行比对。
可见,本系统测试值基本与标准转矩传感器输出值相等,最大误差0. 5%。实验结果表明,该电路线性度优良、精度高、温漂小、抗干扰能力强,完全满足强干扰环境下转矩精确测量的需要。
4结 语
被动式电动加载系统中多余力的消除是一个关键问题,而多余力的消除需要精确测量轴系角加速度。鉴于传统方法通过光电编码器测量时存在的较多问题,本文提出并设计了一种通过测量转矩间接测量角加速度的方法。实验结果表明,该角加速度计设计合理,精度高、温漂小、动态响应快、抗干扰能力强,有效解决了被动式电动加载系统中角加速度的测量问题。
参考文献
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作者简介:李兵强(1982-)男,博士研究生,研究方向为高精度伺服技术、智能自动化装置等
