超声电机温升特性测试系统设计.pdf

超声电机温升特性测试系统设计 李 晓牛 周 盛 强 姚 志远 南京航 空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验 室 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 De s ig n o f USM Te mpe r a t ur e Ch a r a ct e r is t ic M e a s u r in g Sy s t e m LI Xia o niu ZHOU Sh e n g qia ng YAO Zh i y ua n S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Me ch a n ics a n d Co n t r o l o f Me ch a n i ca l S t r u ct u r e s Na n j in g Un i v e r s it y o f Ae r o n a u t ics a n d As t r o n a u t ics Na n ii n g 2 1 0 0 1 6 Ch i n a 摘要 针对超声电机温升特性测试的需要 设计 了一套 测 试 系统 测 试 系统 包括 铂 电 阻 温度 传 感 器 温度 变送 电路 MS P 4 3 0单 片机 和 P C机 测试 系统 采 用 L a b VI E W 作 为 上 位 机 开 发 软 件 通 过 RS 2 3 2串行接 口实现 P C机 与 MS P 4 3 O单 片机 的 通 讯 测试 系统 可 实现 电机 温 升 数据 的 实 时采 集 可 靠性高和实用性强 开展 了针对某型航天用超声电 机 温升 特性 测试 获得 了 电机 表 面 温升 数 据 试 验 证 明 超声电机在 一3 O 5 0 不 同环境温度下 温升基 本稳 定 运行 温度 在 允许 范 围 内 满足 航 天设 备 的特 殊性 关 键词 超声 电机 温升 测试 环境 温度 中图分 类号 T M3 5 6 文 献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 2 1 0 0 0 4 9 0 3 Ab s t r a ct As t e m p e r a t u r e cha r a ct e r is t i c t e s t ing of u lt r a s o nic mo t or n e e d s de s ig n a t e s t s ys t e m The t e s t s y s t e m in clu de s p la t inu m r e s is t a n ce t e rn p e r a t u r e s e ns o r t e mpe r a t u r e t r a ns mit t e r cir c ui t MS P 4 3 0 micr o co n t r o lle r a n d P C Th e t e s t s y s t e m u s e La b VI EW t o d e v e lo p s o f t wa r e o f t h e h o s t co rn p ut e r The hos t co mpu t e r a n d t he M SP4 3 0 micr o co n t r o lle r u s e s e r ia co mmu n ica t i o n R 2 3 2 s e r ia l in t e r f a ce Th e t e s t s y s t e m ca n a ch ie v e r e a l t ime d a t a a cq u is i t io n o f t h e mo t o r t e mp e r a t u r e r is e h ig h r e lia b i lit y a n d p r a ct ica lit y Ca r r ie d o u t t e mp e r a t u r e r is e t e s t f or t h e ult r a s o n ic mo t o r u s ing a ce r t a in t yp e of a e r o s pa ce e qu ipme n t The t e s t p r o v e d t ha t t he u lt r a s on ic mo t o r u nd e r d if f e r e nt a m b ie n t t e m p e r a t u r e t he t e mpe r a t ur e r is e o f t he ba s ic s t a bi lit y 收稿日期 2 o 1 2 0 7 2 3 机械与 电子 2 0 1 2 1 0 of t he op e r a t i ng t e mpe r a t ur e o f 一 3 0 5 0 t o me e t t he de s i gn r e qu ir e me n t s t o me e t t he pa r t icu la r it y o f t h e s p a ce e q u ip me n t Ke y wo r d s u lt r a s on ic mo t o r t e mpe r a t ur e r is e me a s u r in g a mb i e n t t e mp e r a t u r e 0 引 言 超声 电机作为一种新 型的微特电机 与传统的 电磁 电机相比 它具有低速大扭矩 响应快 结构简 单和不受磁场 干扰等优点 在航空航 天 光学仪器 和精密工程领域有着广阔的应用前景 1 J 超声电机 在运行过程中存在温升现象 是限制超声 电机应用 的瓶颈之一 超声电机的温升主要是由定转子间摩 擦驱动和压电陶瓷的机电损耗而产生的 超声电机 的温升一方面使压 电材料的性能下降 另一方面温 升会引起 电机工作频率的漂移 进而电机的输出 转速和力矩都会发生变化 影响电机可靠稳定运行 为 了将超声 电机应用到工程实践上去 开展超 声 电机 的温 升特 性研 究 十 分 必 要 而 一 套超 声 电机 温 度测试 系统 又 是必不 可少 的 系统 的硬 件 设 计 测试系统主要包括 P T1 0 0铂电阻传感器 信号 调理 电路 ADC转换 模块 单 片机 系统 超 声 电机 驱 动电路和上位机 系统 的总体结构如图 1 所示 测 试系统工作时 通过上位机软件 向超声电机驱动电 路发 出指令 启 动超声 电机 与此 同时 P T1 0 0铂 电阻传感器采集超声 电机表面温升信号信息 经过 信号变换 电路 变送 和转 换后 送 至 MS P 4 3 0单 片 机 MS P 4 3 0单 片 机 通 过 串 口与上 位 机 进 行 通 信 并将温升信息显示 储存在 P C机上 49 信号调理电 路 爿 A D C 1 2 转换模块 介 P T l0 O 温度传感器I MS P 4 3 0 什 l l 单片机 超 声 电 机 嚣 善 嚣 图 1系 统 的总 结 构 采用 P T1 O 0铂 电阻作为温度传 感 器 安装 在超 声 电机后 端盖 表面上 铂电阻具有性能稳定 测量精度高和 互换性好等优点 但铂电阻值随温度 的变化并非绝对呈线性关 系 影响温 度测量的精度 3 为解决铂 电阻的非 线 性 问题 在 信 号 调 理 电路 中采 用 非 线性处理 芯片 XT R1 O 5 4 实现温度 一 电流变 送 X TR 1 0 5可 将 铂 电阻 电 阻值随温 度 的变化 量转 换成 4 2 0 mA 电流模拟信号 X TR 1 0 5原理如 图 2所示 其 中 V 为 电路提供 电 压 输 出电流 j经 过取样 电阻 R 变 为电压信号供采样使用 其大小只与 铂 电 阻的 电 阻值 有 关 而 与 线 路 电阻 R 无关 R 为调 零 电阻 其 值 为测 试系统下 限温度 时铂 电阻 的电阻值 芒 经计算 R G 一1 5 8 7 5 Q 取 R G 一1 5 9 Q 温度 测量 电 路 如 图 3所 示 由 于 X TR 1 0 5输 出的 4 2 O mA 电流需要 进行 0 3 3 V 的 电压 线 调节 R 可使 XT R1 0 5 在测试系统下 限温度时输出 4 mA 的电流 电 阻根据设 计 的测温 范 围而设定 1 2 1 1 4 11 1 0 图 2 X I R1 0 5原 理 考虑 到 超 声 电机 温 升试 验 实 际需 求 确 定测 试 系统 的温度 测试 范 围为 一5 0 q 1 5 O P T 1 0 0在 一 5 O 时 的电阻值 是 8 0 3 1 Q 即取 R z 一8 O 3 1 Q P T1 0 0在 8 0 时的电阻值是 1 5 7 3 3 Q 即取 R2 1 5 7 r 3 3 Q R1 一 RTD Re s is t a n ce a t i 2 即 R 5 0 Q R 的计算公式为 5f Cl F 图 3温 度 测 量 电路 性转换 为此选用 RC V4 2 0精密 I U 变换器 先将 电流信号变换为 0 5 V电压信号 再通过分压 电路 变换为 MS P 4 3 0单片机 AD C模块所允许的 0 3 3 V电压信号 进行 A D转换 所使用的 MS P 4 3 0单片机是一款 1 6位单片机 它 具有处 理 能 力 强 运 行 速 度 快 和 功 耗 低 等 优 点 MS P 4 3 0系列单 片机集 成 了 丰 富 的片 内外设 如 1 2 位 ADC转 换 器 模 拟 比较 器 A 定 时器 A 定 时 器 B 串口 硬件乘法器 端 口1 6 基本定时器和丰富 的 I O端 口等 作为测试 系统 的核心 MS P 4 3 0通 过 串 口接收 上 位机 指 令 进 行 A D转 换 向超 声 电 机驱动电路发出启动 停机指令 2 软 件设 计 测 试 系统软 件 由上位 机软 件 和下 位 机 MS P 4 3 0 软件组 成 下位 机软 件主要 功 能是根 据上 位 机发来 的命令 执行相应 的动作 实现数据 采集和数据发 送 上位机软件主要功能是根据通信协议 实现 P C 与单片机之间控制参数及测试数据 的通信 通过人 机交互界面 完成控制指令 的输入以及测试数据的 机 械 与 电 子 2 O 1 2 1 0 超 处理 和显示 下位机程序主要 由主程序和 中断处理程序组 成 其流程如图 4所示 单片机上电 系统进行初始 化 设置 串 口工 作 方 式及 参 数 当接 收 到 上位 机 命 令时 启动电机 同时进行温升 A D采集 并将检测 的所采集数据进行处理后 传输到上位机 当判定 电机工作时间达到指令设定时间时 则停止电机 此 次测试结束 等待接收新的设定值 进行新的测试 图 4 F位 机 程 序 流 程 系统的监控界面采用的是虚拟仪器软件开发工 具 L a b VI E w 5 初步实现 了测试 系统 电机启停 采 集数据的显示 和储存等功能 3 系统试验 结果及分析 完 成 硬件 与 软 件设 计 后 开 展 了某 型航 天 器 超 声 电机的温升特性测试试验 根 据 G J B 1 0 2 7 9 0 GB T2 4 2 3 1一g 0 0 1和 GB T2 4 2 3 2 2 0 0 1标准 中规定 将粘贴有铂 电阻 传感 器 的超 声 电机 置于意大 利 AC S公 司生产 的 CH2 5 0 C高低温湿热箱内 在无强迫空气循环下进 行试验 试验样品任何表面与其对应的试验箱壁的 距离大于 1 5 cm 且试验箱体积对试验样 品体积之 比大于 5 1 试品放在试验箱中心位置 使试品与 试验箱壁有足够的空间 符合模拟 自由空气 条件 按照某型航天器用超声 电机 的使用要求 测试 电机 工作 5 min的温升 各个 环境 温度下 测试 出来 的温 升值 如表 1 所示 超声 电机 表 面 温升 温度 曲线 如 图 5所示 机 械 与 电 子 2 0 1 2 1 0 表 1 超 声电机表面温升测试 结果 藿 s z 20 z s 3 0 s 温度 一1 6 8 7 2 0 6 9 7 2 1 8 4 8 2 8 8 3 2 8 3 8 4 7 2 5 6 8 温 升1 3 2 1 2 8 lO 6 9 7 2 8 4 8 8 8 7 8 8 7 2 6 8 p 赠 巽 赠 温 3 0 2 o 1 0 0 1 0 2 0 2 5 3 0 4 0 5 o 环 境温 度 图 5 超声电机表面温升 温度 曲线 从表 1和图 5可以看出 超声电机在每个温度 测试 点上 的温 升都不 超过 2 O C 且 随着环 境温 度 的 增加 温升 减小 而超 声 电机温 度升 高 超 声 电机可 在环境温度 一3 O 5 0 范 围内运行工作 且电机 运行 5 mi n时 运行 温度 不超 过 6 O 4 结束 语 设计 了一套超声 电机温升特性测试系统 具有 可靠性高 精度高和实用性强的优点 试验表明 环 境 温度对 超声 电机 温 升 影 响较 小 对 运 行 温 度影 响 较大 在实际使用时可考虑增加散热设计 同时测 试 系统 还可 为超声 电机 温 度 场研 究 基 于温 度 反馈 的超声电机驱动控制研究和超声电机精密定位研究 提 供实验 依 据 参 考 文献 E li赵淳生 超声 电机技术与应用 M 北京 科学 出版社 2 0 07 E 2 郑伟 超声 电机寿命