（电机与电器专业论文）超声电机测试分析系统的研究.pdf

、 k n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nu l t r a s o n i cm o t o r t e s ta n d a n a l y z es y s t e m a t h e s i si n e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i ca p p a r a t u s s o n gx i a o g a n g a d v i s e d b y p r o f e s s o rl ih u a f e n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 4 j n t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：宝：三：) 望卫 e t 期：丝丝丑7 l i t 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本课题受国家自然科学基金项目( 5 0 7 3 5 0 0 2 、5 0 8 7 5 1 2 3 ) 资助。 超声电机( u s m ) 是利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声波振动，通过摩擦耦合将 振动能转换成转子或滑块的动能的新型电机。由于超声电机对负载、环境条件及定子转子之间 的摩擦特性很敏感，对超声电机的电学特性进行深入的实验研究，测试和分析超声电机的关键 性能，了解超卢电机的运动规律，进而为高性能驱动器的研发提供参考有非常重要的意义。本 文内容概括如下： 分析了目前对超声电机的测试相关研究不足之处，指出本课题研究的意义。依据超声 电机性能试验要求，并结合计算机测控技术的优点，设计了旋转型和直线型超声电机 性能测试分析方法。 依据超声电机测试分析系统的设计目标，构建超声电机测试分析系统。详细分析了超 声电机测试分析系统的硬件组成和软件组成。 结合测试系统硬件设备功能，采用模块化的设计思想，在l a b v i e w 平台设计了测试 分析系统软件，该软件具有数据采集、数据回放、数据处理和结果显示等功能。 根据测试分析系统所用传感器的特点，采用曲线拟合技术对电流传感器进行软件延迟 补偿，解决了传感器延迟影响电机阻抗分析的难题。 使用设计虚拟仪器测试分析系统，对行波旋转型超声电机输入阻抗特性、变预压力、 变激励信号时电机的性能进行测试。跟据实验测试结果，分析了电机的性能。 设计了直线电机测试系统，并对双交幅杆v 型直线电机进行实际测试。 关键词：超声电机，l a b v i e w ，曲线拟合，频域分析，数据采集 c o m p e n s a t i o nw a sr e a l i z e db yc u r v e f i t t i n gs o f t w a r et e c h n i q u e ，w h i c hs o l v et h ed i f f i c u l t p r o b l e mt h a ts e n s o rd e l a yc a u s e di na n a l y z i n gt h ei m p e d e n c eo f u s m u s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e s ta n da n a l y s i sp l a t f o r m , t h ep e r f o r m e n c eo ft r a v e l i n gw a v e r o t a r yu l t r a s o n i cm o t o rw a st e s t e dw i t hr e s p e c tt oi n p u ti m p e d e n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，v a r i a b l e a n de x c i t i n gs i g n a l s t h et e s tr e s u l t sw a sa n a l y z e di nt e r m s o f t h eu s m al i n e a rm o t o rt e s ts y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n dp a i r so fv - t y p el i n e a rm o t o rh o mw a st a k e n i n t oa c t u a lt e s t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r , l a b v m w , c u r v ef i t t i n g ，f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，d a t a a c q u i s i t i o n 2 3 测试台8 2 3 1 机械特性测量装置9 2 3 2 预压力测试装置1 0 2 4 信号调理电路1 2 2 4 1 模拟输入口保护电路1 3 2 4 2 转矩转速信号的适配设计1 3 2 4 3 电流传感器1 4 2 4 4 转矩控制器设计1 4 2 4 4 1 电源电路的硬件设计1 5 2 4 4 2 恒流源电路的设计1 5 2 4 4 3 恒流源电路测试1 6 2 5 数据采集卡1 7 2 6 本章小结。1 9 第三章超声电机测试分析系统的软件设计2 0 3 1 连续采集程序流程。2 0 3 2 数据回放单元2 4 3 3 数据处理模块和显示模块设计。2 6 3 3 1 数字滤波器设计2 6 3 3 1 1 线性相位f i r 数字滤波器2 6 超声电机测试分析系统的研究 3 3 2 测量数据处理 3 3 2 1 频域分析模块 3 3 2 2 相位计算模块一 3 3 2 3 频率测量模块 3 3 2 4 波形显示模块 3 3 2 5 曲线拟合模块 3 3 2 6 曲线拟合在传感器延迟补偿中的应用 3 4 本章小结 第四章旋转型超声电机特性实验分析4 0 4 1 超声电机输入阻抗特性实验4 0 4 2 超声电机性能特性实验。4 5 4 2 1 超声电机的启动过程4 5 4 2 2 不同预压力作用下电机性能测试4 7 4 2 3 不同激励信号下电机性能实验研究4 9 4 2 3 1 调频控制4 9 4 2 3 2 调压控制4 9 4 2 3 - 3 调相控制5 0 4 3 本章小结51 第五章直线超声电机性能测试系统5 2 5 1 直线型超声电机测试系统硬件设计5 2 5 2 硬件系统各个模块的配置和设计5 3 5 2 1 测功机构5 3 5 2 2 直线光电编码器5 3 5 3 直线型超声电机测试系统软件设计。5 4 5 3 1 软件系统各个模块的配置和设计5 6 5 3 2 文件结果存储5 6 5 3 3 剔除数据奇异项5 6 5 3 4 数据显示方式转换5 8 5 4 直线型超声电机启动特性研究5 9 5 5 ，j 、结6 l 第六章全文总结与展望6 2 6 1 本文工作总结。6 2 南京航空航天大学硕士学位论文 6 2 后续工作展望。6 2 参考文献6 3 致谢。6 6 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 7 超卢电机测试分析系统的研究 图表目录 图1 1 超卢电机驱动原理2 图1 2 虚拟仪器的系统构成3 图2 1 超卢电机测试分析系统结构图。7 图2 2 超声电机测试分析系统硬件构成。8 图2 3 超声电机测试分析系统实物图8 图2 4 超声电机机械性能测量装置框图9 图2 5 测量装置实物9 图2 6 装有预压力传感器的电机夹持装置1 1 图2 7 应变力传感器测量原理1 2 图2 8 应变力传感器1 2 图2 9 调理电路实物图1 2 图2 1 0 信号整形电路1 4 图2 1 1 霍尔电流传感器原理图。1 4 图2 1 2 电流与输出电压之间关系图1 4 图2 1 3 电源部分电路1 5 图2 1 4 恒流源部分电路1 6 图2 1 5 同步采样与循环采样时间延迟对比。1 7 图3 1 超声电机测试分析系统的软件设计结构图2 0 图3 2 溢出错误和覆盖错误2 l 图3 3 循环缓冲区工作方式2 2 图3 4 连续采集存储流程图2 3 图3 5 连续数据采集程序框图2 4 图3 6 数据存储程序框图2 4 图3 7 数据回放程序框图2 5 图3 8t d m sr e a d 节点图标及其连接端口2 5 图3 9r e a df r o ms p r e a d s h e e tf i l e 节点图标及其连接端口。2 5 图3 1 0 滤波器程序模板2 8 图3 11 快速h l t c rv i 程序面板2 8 图3 1 2 快速f i l 衙程序框图2 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 3 带h a r m i n g 窗的h 可2 9 图3 1 4 从h a n n 频谱提取单频信息2 9 图3 1 5 平均值一均方根信息3 0 图3 1 6 相位差计算模块程序框图3l 图3 1 7i n v e r s ep e r i o d 方法接线图。3 2 图3 1 8 a v e r a g i n g 方法接线图3 2 图3 1 9d i v i d ed o w n 方法接线图3 2 图3 2 0s y n c h r o n i z e de r r o r 原理图3 2 图3 2 1l a b v i e w 测试信号频率的程序框图。3 4 图3 2 2 非线性l e v e n b e r g m a r q u a r d t 虚拟仪器子3 6 图3 2 3 传感器延迟测量系统3 7 图3 2 4 两路信号之间的相位差3 8 图3 2 5 软件补偿后的相位差3 8 图4 。1 超声电机等效电路图4 0 图4 2 超声电机输入阻抗等效图4 0 图4 3 定子动态阻抗测试系统方框图4 1 图4 4v p p = 3 0 0 v 时t u m 6 0 定子阻抗频率特性图4 2 图4 52 0 0 v p p 电导与频率关系4 3 图4 62 0 0 v p p 电纳与频率关系4 3 图4 72 0 0 v p p 电阻、电容与频率关系4 3 图4 82 0 0 v p p 匹配电感与频率关系4 3 图4 93 0 0 v p p 电导与频率关系。4 4 图4 1 03 0 0 v p p 电纳与频率关系4 4 图4 1 13 0 0 v p p 电阻、电容与频率关系一4 4 图4 1 23 0 0 v p p 匹配电感与频率关系4 4 图4 1 34 0 0 v p p 电导与频率关系4 5 图4 1 44 0 0 v p p 电纳与频率关系4 5 图4 1 54 0 0 v p p 电阻、电容与频率关系。4 5 图4 1 64 0 0 v p p 匹配电感与频率关系4 5 图4 1 7 超声电机启动过程测试系统硬件机构图一4 6 图4 1 8电机空载时的启动特性4 6 图4 1 9 变预压力电机性能测试系统框图。4 7 超声电机测试分析系统的研究 图4 2 0 超声电机变预压力性能测试实物图4 8 图4 2 l 预压力和电机转速关系。4 8 图4 2 2 驱动电压v p p = 4 0 0 v ，a 、b 相位差为9 0 度4 9 图4 2 3 驱动频率f - - - 4 1 3 k h z ，a 、b 相位差为9 0 度5 0 图4 2 4 驱动频率f - - 4 1 3 k h z ，v p p = 3 3 0 v 5 0 图5 1 直线型超声电机性能测试系统的结构图5 2 图5 2 直线电机测功机构5 3 图5 3 直线型光电编码器实物图5 4 图5 4 系统软件总体结构图5 5 图5 5 程序流程图5 5 图5 6 以文件形式来保存数据结果程序5 6 图5 7l m a d 方法去毛刺点程序图5 7 图5 8 横轴量转换程序图5 8 图5 9 按点数位横轴显示5 9 图5 1 0 按时间为横轴显示5 9 图5 1 1 启动、关断时间程序图。6 0 图5 1 2 双变幅杆v 形直线超声电机启动特性实验曲线6 0 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表2 1 应变力传感器参数1 1 表2 2 恒流源电路测试1 6 表2 3p x i 6 1 3 3 输入方式及配置方法。1 8 表3 1 六种窗函数的基本参数2 7 表3 2i n v e r s ep e r i o d 方法的s y n c h r o n i z e de r r o r 3 3 表3 3a v e r a g i n g 方法的s y n c h r o n i z e de r r o r 3 3 表3 4d i v i d ed o w n 方法的s y n c h r o n i z e de r r o r 3 3 表3 5l a b v i e w 的g r a p h 予模板控件3 4 表4 1 电机电子阻抗特性随激励变化数据4 2 超声电机测试分析系统的研究 t u s m t v s 珞 口 岛 r o 厶 。 石 甩d 乃 名 乃， 2 马， 注释表 行波超声电机 瞬态电压抑n - 极管 输入电压 电机阻抗角 等效电容 等效电阻 等效电感 夹持电容 内部时钟基频 平均转速 超声电机启动时间 超声电机关断时间 启动过程电机达平均转速9 5 时间 启动过程电机达平均转速5 时间 关断过程电机达平均转速9 5 时间 关断过程电机达平均转速5 时间 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，宇宙空间探索、现代武器装备自动化、精密电子制造、办公及家庭自动化领域对 电机进一步提出短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求，迫切需要研制出能够突破传统电磁 电机的新型电机。为此，世界各国都在探索其他新型微特电机。其中，超卢电机是较为适用的 一种。 超声电机与传统的电磁电机相比具有：低速大扭矩、响应快、控制特性好、断电自锁、不 受磁场影响、同时自身也不产生磁场、定位精度高、可直接驱动负载等优点。由于直接驱动负 载，避免了用齿轮变速而产生的振动、噪声、传动精度降低、效率低、控制困难等一系列问题。 因此，超声电机技术在2 0 世纪末期得到迅速发展，并在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、 微型机械等领域得到成功的应用n 屯1 。 由于超声电机是利用摩擦耦合来转化能量，涉及到摩擦磨损这一传统的理论难题，具有一 定的模糊性，另外压电材料的机电耦合性的非线性认识不够明确制约了理论的发展。有限元法 只适用于确定定子的工作频率和工作模态，不能估算电机的性能，超声电机的实际性能与设计 指标之间存在较大差距。电机的性能和结构的设计主要依靠大量的测试与实验及专家经验来进 行。 在超声电机驱动控制方面，由于超声电机的性能对负载、环境条件及定、转子之间的摩擦 特性很敏感，这就要求超声电机的驱动器能够自动跟踪电机工作频率的变化，及时调整驱动频 率、幅值以及驱动信号的相位差，使电机工作在最佳状态。本课题要对超声电机的电学特性进 行深入的实验研究，测试和分析超声电机的关键性能，了解超声电机的运动规律，为高性能驱 动控制器的研发提供参考。 1 2 超声电机概述 超声电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，u s m ) 是一种全新原理和结构的电机，它利用压电材料的逆 压电效应使定子表面产生椭圆运动，进而通过摩擦耦合将振动能转换成转子或滑块的动能( 速 度和力矩) ，其原理如图1 1 所示。2 0 世纪4 0 年代w i l l i a m s 和b r o w n 首先提出了超声电机的驱 动原型3 1 ，但是由于材料的缺乏、技术落后，u s m 的模型样机一直没有实现。经过半个世纪的 发展，1 9 8 7 年，部分行波超声电机达到了商业应用水平，此后许多超声电机新产品不断地被研 制出来并推向市场】。在该领域内，日本目前处于世界领先地位，掌握着世界上大多数超声电 机技术发明专利。日本在超声电机方面的成功引起世界超声电机研制的热浪，德、法、美、中、 韩等国也于8 0 年代末纷纷投入到超声电机的研究行列中【6 。9 1 。 超声电机测试分析系统的研究 援絮力顶爱力 图1 1 超声电机驱动原理 2 0 世纪9 0 年代以后，超声电机的研究趋向多元化。一方面进一步深入大扭矩超声电机、 微型超声电机、多自由度超声电机、直线电机等新型电机的研究 1 0 - 1 2 】，另一方面，随着超声电 机研究的深入，超声电机的建模与分析、驱动与控制、超声电机材料试验、非常态环境试验等 也开始成为了研究的主要课题 1 3 - t 5 】。 1 3 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是以通用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交 互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。与传统仪器不同，在虚拟仪器系统中，不仅仪器 的操控和测量结果的显示是借助于计算机显示器以虚拟面板的形式来实现的，并且数据的传输、 分析、处理、存储都是由计算机软件来完成的，这就大大突破了传统仪器仪表在这方面的限制， 方便了用户对仪器的使用、维护、扩展和升级等蛤1 7 1 。 虚拟仪器由硬件和软件两大部分构成，如图1 2 所示。虚拟仪器硬件通常包括通用计算机 和外围硬件设备。外围硬件设备可以选择g p i b 总线系统、v x i 总线系统、p x i 总线系统、数 据采集系统或其他系统，也可以由上述两种或几种系统构成混合系统。其中最简单、最廉价的 形式是采用基于i s a 或p c i 总线的数据采集卡，或是基于r s 2 3 2 或u s b 总线的便携式数据采 集模块。 虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动器和应用软件三层。仪器驱动器软件是直接控制 各种硬件接口的驱动程序，应用软件通过仪器启动器实现与外围硬件模块的通信连接。为了方 便仪器制造商和用户进行仪器驱动器和应用软件的开发，n i 、h p 等公司推出了专用于虚拟仪 器开发的集成开发环境，目前流行的有l a b v i e w 、m 、矾n d o w s c 、h pv e e 等。 当2 0 世纪8 0 年代后期，基于p c 的数据采集( d a q ) 第一次出现时，它彻底改变了工程 师和科学家们进行测量的方式。基于p c 的数据采集与体积庞大的单机仪器不同，它可以利用 计算机的强大功能帮助人们有效地开发测量与控制应用，而无需将测量数据记录在纸上。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2 虚拟仪器的系统构成 起初，硬件供应商常常为他们的d a q 设备提供寄存器级编程软件的c 语言范例或者一个 静态库；这些软件为访问硬件寄存器提供基本的函数。在寄存器级上编程对许多用户来说是十 分困难的，即使是一个简单的应用也需要很长的开发时间。无法执行象同步模拟输入与输出这 样的并发d a q 操作。 表1 1 数据采集驱动软件的演化过程 第一代第二代第三代 2 0 世纪8 0 年代后期2 0 世纪9 0 年代早期2 0 0 3 年以后 寄存器级编程；l a b v w 界面； 更简单、更强大的编程接 或者带头文件的静 支持信号调理硬件； 口d a q 助手，交互式任 态库或d l l ； 多设备同步；务配置和自动生成代码； 手动调整传感器数 支持网络应用； 并发的d a q 操作； 据的单位：d m a 管理： 更快的单点采集； 基本的配置工具，包 功能扩展了的配置工具： 支持即插即用传感器； 括：一通道向导，简化了传感器 自动化的多设备； 一设各自检特性的单位调整 一手动分配中断和资一测试面板 源 9 0 年代后期和2 1 世纪早期，随着第二代n i d a q 软件的发展，它在很大范围内对儿乎所 有d a q 供应商的硬件平台( p c i 、a t 、u s b 、p c m c i a 、p x i 和f i r e w i r e ) 都增加了支持。不 仅如此，通过增加信号调理函数，它还支持各种电压范围、传感器和信号类型。第二代驱动软 3 超声电机测试 件还更新了许多特性，这使得控制基于p c 的 它能够同步多块板卡以便精确定时和触发，这 2 0 0 3 年第三代d a q 驱动软件的诞生，以 需要增加额外的代码就可以实现并发操作，它已被设计成以多线程的方式操作。因此，现在一 个模拟输入操作可以在一个线程中发生，并一直处于睡眠状态，直到它采集了给定数量的样点 才被唤醒。而在另一个单独的线程中则可以操作模拟输出部分。这使得并发的d a q 操作编程 变得更简单。 数据采集卡驱动程序演化过程如表1 1 所示。这些里程碑式的变化最终将大大降低用户的 开发时间。 1 4 本课题研究的意义与内容 1 4 1 本课题研究的意义 超声电机是- f - j 集振动学、波动学、摩擦学、材料学、电力电子、自动控制和试验技术等 学科交叉结合的高新前沿科学，至今还有很多问题尚在探索之中。研究者除了理论研究之外， 还需要有试验研究。世界各国在发展超声电机理论的同时，也都在大力发展试验技术1 8 】。传统 电机测试往往采用指针式的仪表，由人工读数、人工记录，然后整理成数据并描绘曲线。然而 由于某些原因，如负载波动、频率漂移、电压波动等因素的影响会使仪器仪表的指针摆动，为 能够准确读出某一时刻的各项被测参数，甚至需要几个人同时读表。不仅如此，由于仪器的非 同时性以及读数、记录、计算中的人为误差，造成数据分散性大，试验结果的精确度低，重复 性差。另外一种测量方式是使用各种电子测量仪表，如多功能电参数测试仪来测量电压、电流、 频率、功率、功率因数等参数。利用转矩转速测量仪可以测量电机在各种状况下的转矩、转速、 输出功率等。这类仪器一般由单片机组成控制系统，测量精度高，提高了自动化程度。但对数 据的处理不够灵活，且试验过程中的读数同步问题依然不够理想。 本课题紧密结合超声电机研究和应用需求，将虚拟仪器技术用于超声电机测试与分析系统 中，具有很强的现实意义和实用价值。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题旨在针对传统电机测试系统存在的操作繁杂、自动化程度底等缺点，运用虚拟仪器 技术及相关设备，设计超声电机测试分析系统，实现超声电机自动和手动加载测试，并在测试 过程中对电机的相关参数进行采集、分析、显示和存储。从电学角度出发，总结超声电机在不 同的负载匹配、不同的工作条件、不同的工作频率区间的性能，探索有效实用的驱动控制策略， 为下一步电机的研究和驱动器的改进提供参考。本文的主要研究内容为： 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 根据超声电机测试分析系统的设计目标和性能指标来确定系统的构造。将详细分析超声 电机测试分析系统的硬件组成和软件结构及软件主流程。 2 对超声电机测试分析系统的组成、原理进行分析和研究。 3 通过d a q 技术和l a b v i e w 平台来设计数据采集模块，从而实现数据采集的过程。将分析 与设计数字示波器的多通道选择和设置以及信号采集的具体实现。 4 通过使用n i 公司的t b 一6 1 3 3 和t b 一6 7 1 1 数据采集景、霍尔电流传感器、数控电流源等 组成了旋转型电机测试系统硬件平台，实现了对电机实时变化参数的采集。 5 使用l a b v i e w 作为开发工具编写了旋转型超声电机测试分析系统软件，实现了对超声 电机测试流程的控制，并对过程中的参数进行分析、显示、保存，绘制了电机特性曲线。 6 在超声电机测试分析系统的基础上，对本所研制的旋转型行波超声电机进行测试试验， 对电机的静、动态导纳特性、机械特性及瞬态特性进行实验研究。 7 在旋转型超卢电机测试分析系统的基础上开发了直线型超声电机性能测试分析系统， 并对双变幅杆v 形直线超声电机进行了测试实验研究。 5 超声电机测试分析系统的研究 第二章超声电机测试分析系统硬件设计 本文研究的基于虚拟仪器技术的超声电机测试分析系统，主要由数据采集、数据处理以及 数据和波形显示与存储等部分组成。数据采集完成信号的输入和获取，数据处理主要完成对信 号的数据拟合、时域和频域的分析等过程，其他部分完成波形显示和存储等功能。因此，本章 首先针对系统的相关设计要求与技术指标，确定系统测试方案；然后根据各组成部分以及相互 关系确定超声电机测试分析系统构造；接着详细分析系统的硬件组成等。 2 1 系统设计要求 ( 1 ) 系统参数设置模块：完成人机界面操作参数、数据采集卡通道参数及超声电机测试相关参 数的处理和记录； ( 2 ) 超声电机驱动信号测试模块：完成对施加在超声电机电极上的激励电流、电压信号( 电压、 电流有效值、频率等) 的处理、显示与记录； ( 3 ) 传感器标定测试模块：依据产品说明书，完成电流传感器、转矩传感器在其工作量程内的 误差测量，拟合实验数据并进行软件补偿设计，将测量结果保存； ( 3 ) 超声电机定子导纳特性测试模块：主要测试电机的导纳、相位等随频率的变化情况，利用 同步多通道数据采集卡将超声电机上的驱动电压和驱动电流采集下来，传输给计算机，利用计 算机的数据处理和运算能力，将测量数据在计算机屏幕进行显示，并将测试结果保存； ( 4 ) 转矩控制模块：编写控制程序参数，通过软件实现p c 机与转矩控制器之间的通信； ( 5 ) 超声电机机械特性测试模块：测量超声电机的运行状态( 电机的转速、转矩) 与驱动信号 ( 驱动电压、电流的幅值、频率和相位差) 间的关系，并将测量结果保存； ( 6 ) 超声电机定、转子预压力特性测试模块：测量不同预压力下电机的运行状态，并保存测量 结果； ( 7 ) 数据处理模块与数据传输：测试数据可保存至本地，也可通过网络传输到指定电脑上，对 测试数据进行分析，并完成相关数据或报表的打印。 2 2 总体方案框图 超声电机测试分析系统主要由超声电机驱动器( 本所自主研制的驱动器或信号发生器加功 放) 、超声电机及其测试装置以及基于p c 机的数据采集平台三部分组成。超声电机驱动器给电 机提供激励信号；将超声电机同定在测试架上，压力、转速、转矩等被测量通过相应的传感器 和信号调理板相连接；数据采集平台采用p c 机加p x i 机箱的组合，内装各类板卡，平台使用 6 ， 南京航空航天人学硕七学位论文 l a b v i e w8 5 开发软件。 各路采集信号具体测试方法如下： ( 1 ) 2 路驱动电压：通过电阻分压衰减，同时对衰减后的电压信号进行限压保护之后通过 专用屏蔽线引入d a q 同步数据采集卡，通过l a b v i e w 软件对信号进行测试分析； ( 2 ) 驱动电流信号：将电流信号通过霍尔电流传感器转换为电压信号，再通过专用屏蔽线 接入d a q 同步数据采集卡，通过l a b v i e w 软件对信号进行测试分析； ( 3 ) 预压力信号测试：将信号通过专用放大电路转换为较大电压信号，再通过专用屏蔽线 接入d a q 同步数据采集卡，通过l a b v i e w 软件对信号进行测试分析； ( 4 ) 转速信号测试：将旋转型光电编码器( 用于旋转型超声电机) 或光栅尺读头( 用于直 线型超声电机) 的矩形波信号通过接口处理电路和专用屏蔽线接入d a q 同步数据采集卡，通 过通用计数器硬件触发方式或l a b v i e w 软件对信号进行测试分析，测试其频率； ( 5 ) 转矩信号测试：将转矩传感器信号处理后，通过屏蔽线接入d a q 同步数据采集卡， 通过通用计数器硬件触发方式或l a b v i e w 软件对信号进行测试分析，测试其频率。 图2 1 超声电机测试分析系统结构图 图2 1 所示为超声电机测试分析系统的整体框图。 信号检测与调理电路接收测试台传过来的物理信号，并对其中的一些高电压信号进行隔离 处理，对方波信号进行整形处理。目前本系统主要集中于交流信号、直流信号、频率信号、波 形检测等。这些信号经过相关的处理后送入数据采集板卡( 由硬件驱动程序驱动工作) ，通过系 统总线送进计算机进行处理。数据采集借助软件来控制整个d a q 系统，包括采集原始数据、 分析及判断数据等。经检测电路调理后的信号在软件设定采样频率的控制下由可编程放大器放 大，信号经采样保持和a d 转换单元被量化成数字信号，经存储单元进入微机的显示缓存区， 最后由图形设备接口a p i 函数将数据转化成相应的象素并在屏幕上显示出波形。在使用d a q 卡之前必须对d a q 卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的底层d a q 驱动程序。 基于p c 机的超声电机测试分析系统硬件构成如图2 2 所示，实物图如图2 3 所示。它由测 试台、信号调理、d a q 模板、p c 机和支持软件等几个部分组成。整个测试系统以p c 机为核 7 霪溺盲流电源睡司数据采集卡lp c 机ll 羧 | | 。弋一一| n k j 一”p i ? x j 弋 一 良二”= ” ；玎飞。盈，。乒i 警瑟，5 捌 珏棼慧藩 5 i 随 匕m i j 魄 囊：。_ ：1，鬟 l 纛_ 1 一 ? 一 翻驱动器懿鏊互薹瑟盏翟缓魁一赫黼蕊& 妇m 甄二盈 2 3 测试台 图2 3 超声电机测试分析系统实物图 测试台是组成超声电机测试平台的最基本结构。本课题中测试台的设计使用了一种新的概 念，即采用通用的测试装置，将机械特性测试装置、动态负载加载装置和预压力测试装置做成 8 南京航空航天大学硕士学位论文 模块，这样只需要改变模块就可以适应不同目的的测试，测试的硬件成本大幅下降。 2 3 1 机械特性测量装置 和传统的电磁电机一样，超声电机的机械特性是衡量电机性能极其重要的参数指标。目前 实验室用于测量超声电机机械性能的测试系统，因为测量原理的局限性，不适合详细测量超声 电机的机械性能，而且其结构过于庞大，功能已经同化s - 2 0 。必须要设计一套结构紧凑、操作 方便、功能齐全的机械性能测量装置。该装置由光电编码器、磁滞机、转矩传感器组成，超声 电机与转矩传感器、磁滞机之间均用连轴器连接。 图2 4 超声电机机械性能测量装置框图 图2 5 测量装置实物 图2 4 为旋转型超声电机机械性能测量装置框图，图2 5 为其实物。利用该试验装置可以对 超声电机施加负载并测量其转速、转矩。下面分别阐述这三方面功能。 9 1 光电编码器 目的。 2 磁粉制动器 精度高，抗干扰能力强。该传感器将专用的测量扭轴应变的应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴 上，组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭矩的电信号。将该应变电信号放大 后，经过压频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。电源输入及信号输出是由两组带间隙的 特殊环形变压器承担，故而实现了无接触传递功能。工作时向传感器提供1 5 v 电源，激磁电 路中的晶体振荡器产生4 0 0 h z 的方波，经过放大电路产生交流激磁功率电源，通过环形变压器 从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到5 v 的直流电源，该电源做运算放大器的工作电源。转矩为零时传感器输出的信号频率为l o k h z ， 随着正向或反向力矩的施加频率信号随之增大或减小，适合测量超声电机的负载力矩。 利用上述装置可方便地对超声电机施加负载，以及对电机转速、转矩的测量。 2 3 2 预压力测试装置 由超声电机工作原理可知，预压力的大小对超声电机的性能有着直接的影响。它直接决定 了超声电机定子、转子接触特性，从而影响到超声电机的机械性能，进而决定了超声电机是否 - 能够长期稳定运行以及超声电机的使用寿命等【2 1 1 。实际上当超声电机零部件加工出来之后，调 试电机性能的重要手段就是调整预压力。为了弄清楚定转子之间预压力变化对超声电机的影响， 首先设计了超声电机预压力测试装置。该装置由应变力传感器、超声电机定子、超声电机转子 1 0 图2 6 装有预压力传感器的电机夹持装置 旋转型超声电机的预压力一般不高于4 0 0 n ，本装置选用量程为5 0 k g 的应变力传感器，其 原理图如图2 7 所示，实物见图2 8 。电阻应变片受力产生形变，施加在应变片电阻上的电压发 生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般都接成电桥形式。由于机械应变 范围很小，常规电阻应变片的灵敏度系数又不高，其电阻变化范围仅在1 0 。q 到1 0 4 q 数量级， 这就要求测量电路能精确地测量出微小的电阻变化。图2 8 中力传感器采用朗斯测试技术有限 公司的l c l l 0 4 系列应变力传感器，其参数如表2 1 所示。 表2 1 应变力传感器参数 灵敏度 1m v 非线性 o 1 f s 量程 5 0 k g 滞后 o 1 f s 重复性o 1 f s 工作温度 2 0 + 8 0 拱桥电压v d c 5 1 2 v 加荷方向 压式 超声电机测试分析系统的研究 图2 7 应变力传感器测量原理 一 l 协一声目 、“蝴勰幽黝熬， 图2 8 应变力传感器 通过旋转支架上端的加压螺栓可以调整电机轴向上施加的预压力。本方案中将压力传感器 和l c l 0 1 5 测力仪相连，应变力传感器的输出信号( 不高于1 0 m v ) 通过后续的l c l 0 1 5 测力仪 进行放大，其满量程输出电压范围在0 - - 8 8 1 m v ，同时在其使用温度范围