一种高过载脉冲型电机转矩加载系统及方法

技术领域

本发明属于电机测试技术领域，具体涉及一种电机转矩加载系统及方法。

背景技术

在双足机器人领域，电动机作为核心元件，为机器人各个机构提供动力。双足机器人类似于人，其各关节自由度多，关节驱动电机工作方式属于脉冲型高过载运行。以双足机器人腿部关节运动为例，机器人抬腿瞬间，膝关节电机以额定转矩10倍以上的过载状态运行；当机器人跳跃时，腿部需要很大的力，迫使各个关节的驱动电机提供峰值转矩作为驱动力，即关节驱动电机需要频繁地输出峰值转矩。因而双足机器人驱动电机的性能检测非常重要,一般通过给电动机加连续的瞬时峰值转矩来测试电动机的过载性能。

现有技术中，中国专利CN108107359A提出“一种电动机系统电磁兼容试验力矩加载装置”。该发明提出了一种电动机力矩加载装置，采用油泵通过减速装置与电动机轴连接。这种结构比较笨重，所需工作空间大，而且油泵压力控制复杂，难以实现对电机转矩的精确控制；而且，受液压油泵排量的影响，电机转速低时，不能满足该装置的工作要求。因此，该发明专利实用性低，不易实现。

中国专利CN110715809A提出“一种车用小电机的加载系统及方法”。该发明提出一种小电机加载系统及方法，加载系统包括电机安装装置以及加载装置，加载装置包括加载台架、转动连接于加载台架上的摩擦片、用于连接摩擦片和电机的联轴器、安装于加载台架上且用于对摩擦片进行转动阻力加载的阻力加载机构。这种结构通过手动调节加载装置的四个压力调节按钮，使得四个压力计示数一致时，才能驱动被测电机完成加载。操作过程复杂，加载过程中难以控制四个压力计的压力值一致；只能实现连续加载，不能做冲击性加载；加载时间结束后，不能立即去掉负载。因此，该发明广泛使用的可能性较低。

采用同步发电机连接阻性负载设备来模拟负载具有操作方便、结构简单、成本低，适合长时间的加载试验，通过调节负载设备的阻值改变转矩大小，可以实现动态加载。但是，采用这种加载方式对电机进行加载，只能实现长时间的持续加载，加载时间不可控，不能对电机做冲击性加载；由于加载时间连续，当电机加以很大负载时，电机发热量非常大，通过调节电阻很难及时去掉大负载，容易烧毁电机，故不能做电机峰值转矩性能测试试验，因而需要对此种加载方式作出改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高过载脉冲型电机转矩加载系统，包括转矩加载装置、转矩测量装置和定时装置；转矩加载装置包括同步发电机、被测电机、可变电阻、整流桥、一号联轴器、二号联轴器；被测电机通过两个联轴器和同步发电机连接；同步发电机与整流桥交流侧连接，整流桥的直流侧串联可变电阻和定时装置，共同构成转矩加载回路；当定时装置工作于峰值转矩保持时间或负载转矩保持时间内时，转矩加载回路闭合或断开，被测电机承受峰值负载转矩或微小负载转矩。本发明能够为电机提供可高精度调节的大负载，加载时间可精确控制，转矩响应时间极短，实现电机动态脉冲型加载，提高了电机负载测试的效率，增加了电机测试的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高过载脉冲型电机转矩加载系统，包括转矩加载装置、转矩测量装置和定时装置；

所述转矩加载装置包括同步发电机、被测电机、可变电阻、整流桥、一号联轴器、二号联轴器；所述转矩测量装置包括转矩转速传感器和转矩转速显示仪；

所述被测电机通过二号联轴器与转矩转速传感器一端连接，所述转矩转速传感器另一端通过一号联轴器与同步发电机连接，转矩转速传感器用于实时检测加载在被测电机转轴上的负载转矩值和被测电机转速值；所述同步发电机电枢绕组与整流桥的交流侧连接，所述整流桥的直流侧串联可变电阻和定时装置，同步发电机电枢绕组、整流桥、可变电阻和定时装置构成转矩加载回路；所述转矩转速显示仪与转矩转速传感器的电气接口连接，用于实时显示转矩转速传感器检测值；所述被测电机转动过程中带动同步发电机转动，通过调节可变电阻阻值，使被测电机承受的负载转矩达到峰值负载转矩；

所述定时装置包括定时器、固态继电器和直流稳压开关电源；所述定时器两个输入端分别与直流稳压开关电源正负极连接，所述定时器两个输出端分别与固态继电器输入端的正负端子连接；所述固态继电器负载端一端连接整流桥的直流侧，所述固态继电器负载端另一端与可变电阻连接；所述定时器用于设置峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间，所述固态继电器按照定时器设置的峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间开通和关断，所述固态继电器的开通和关断控制转矩加载回路的闭合与断开；所述直流稳压开关电源为定时器供电。

进一步地，所述定时器包括第一显示屏、第二显示屏、一号旋钮、二号旋钮和控制芯片；所述控制芯片用于编写定时器的定时逻辑；所述一号旋钮用于设置峰值转矩保持时间，峰值转矩保持时间通过所述第一显示屏显示；所述二号旋钮用于设置负载转矩保持时间，负载转矩保持时间通过所述第二显示屏显示；当定时器工作于峰值转矩保持时间内时，固态继电器开通，转矩加载回路闭合，被测电机承受峰值负载转矩；当定时器工作于负载转矩保持时间内时，固态继电器关断，转矩加载回路断开，被测电机承受微小负载转矩。

进一步地，所述微小负载转矩指转矩值≤0.1％FS的转矩。

进一步地，所述直流稳压开关电源电压值为15VDC。

一种高过载脉冲型电机转矩加载方法，包括以下步骤：

步骤1：启动被测电机，被测电机通过一号联轴器和二号联轴器带动同步发电机转动，此时被测电机承受微小负载转矩运行；

步骤2：根据被测电机峰值负载转矩最大值，将被测电机转速增加至一定值，使同步发电机产生匹配被测电机峰值负载转矩最大值的反电势；再调节可变电阻的阻值使被测电机负载转矩达到被测电机的峰值转矩；

步骤3：启动定时器，调节一号旋钮和二号旋钮分别设置定时器的峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间；当峰值转矩保持时间启动脉冲到来时，固态继电器开通，转矩加载回路闭合，同步发电机产生反转转矩，被测电机转矩值上升至峰值负载转矩，被测电机承受峰值负载转矩至下一个负载转矩保持时间启动脉冲到来，被测电机所加峰值负载转矩的时间为设定的峰值转矩保持时间；当负载转矩保持时间启动脉冲到来时，转矩加载回路断开，同步发电机产生微小负载转矩，被测电机承受微小负载转矩至下一个峰值转矩保持时间启动脉冲到来，被测电机所加微小负载转矩的时间为设定的负载转矩保持时间；在转矩转速显示仪上显示加载在被测电机转轴上的负载转矩值和被测电机转速值；由此实现被测电机负载转矩脉冲型变化。

由于采用了本发明的一种高过载脉冲型电机转矩加载系统及方法，产生了如下的有益效果：

1、本发明的转矩加载装置采用同步发电机连接阻性负载设备来模拟电机所需要的大负载，通过改变可变电阻阻值来精确控制加在被测电机上的转矩，同时，通过转矩转速传感器实时显示转矩转速大小，实现转矩的动态调节与观测。

2、本发明采用定时装置，通过定时器设定峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间，可对转矩加载时间精确控制，实现脉冲型峰值转矩加载；可完成电机峰值负载转矩冲击测试和机械特性测试、电机温升测试，非常适用于机器人关节驱动电机等一些高过载电机的测试需求；同时定时器的对加载时间的精确控制极大地增加了电机负载测试的可靠性和安全性。

3、本发明紧凑度高，灵敏度高，电机峰值负载转矩上升和下降迅速，系统响应时间极短；被测电机和同步发电机通过传感器同轴连接，轴心的同轴度高，而且无其他元件，系统误差小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的电路原理图。

图3是本发明的定时装置结构图。

图4是本发明的峰值转矩脉冲型加载示意图。

图中，1-一号联轴器，2-同步发电机，3-整流桥，4-固态继电器，5-可变电阻，6-定时器，7-直流稳压开关电源，8-被测电机，9-二号联轴器，10-转矩转速传感器，11-转矩转速显示仪，12-一号旋钮，13-二号旋钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种高过载脉冲型电机转矩加载系统，包括转矩加载装置、转矩测量装置和定时装置；

所述转矩加载装置包括同步发电机2、被测电机8、可变电阻5、整流桥3、一号联轴器1、二号联轴器9；所述转矩测量装置包括转矩转速传感器10和转矩转速显示仪11；

所述被测电机8通过二号联轴器9与转矩转速传感器10一端连接，所述转矩转速传感器10另一端通过一号联轴器1与同步发电机2连接，转矩转速传感器10用于实时检测加载在被测电机8转轴上的负载转矩值和被测电机8转速值；所述同步发电机2电枢绕组与整流桥3的交流侧连接，所述整流桥3的直流侧串联可变电阻5和定时装置，同步发电机2电枢绕组、整流桥3、可变电阻5和定时装置构成转矩加载回路；所述转矩转速显示仪11与转矩转速传感器10的电气接口连接，用于实时显示转矩转速传感器10检测值；所述被测电机8转动过程中带动同步发电机2转动，通过调节可变电阻5阻值，使被测电机8承受的负载转矩达到峰值负载转矩；

所述定时装置包括定时器6、固态继电器4和直流稳压开关电源7；所述定时器6两个输入端分别与直流稳压开关电源7正负极连接，所述定时器6两个输出端分别与固态继电器4输入端的正负端子连接；所述固态继电器4负载端一端连接整流桥3的直流侧，所述固态继电器4负载端另一端与可变电阻5连接；所述定时器6用于设置峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间，所述固态继电器4按照定时器6设置的峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间开通和关断，所述固态继电器4的开通和关断控制转矩加载回路的闭合与断开；所述直流稳压开关电源7为定时器6供电。

进一步地，所述定时器6包括第一显示屏、第二显示屏、一号旋钮12、二号旋钮13和控制芯片；所述控制芯片用于编写定时器6的定时逻辑；所述一号旋钮12用于设置峰值转矩保持时间，峰值转矩保持时间通过所述第一显示屏显示；所述二号旋钮13用于设置负载转矩保持时间，负载转矩保持时间通过所述第二显示屏显示；当定时器6工作于峰值转矩保持时间内时，固态继电器4开通，转矩加载回路闭合，被测电机8承受峰值负载转矩；当定时器6工作于负载转矩保持时间内时，固态继电器4关断，转矩加载回路断开，被测电机8承受微小负载转矩。

一种高过载脉冲型电机转矩加载方法，包括以下步骤：

步骤1：启动被测电机，被测电机通过一号联轴器和二号联轴器带动同步发电机转动，此时被测电机承受微小负载转矩运行；

步骤2：根据被测电机峰值负载转矩最大值，将被测电机转速增加至一定值，使同步发电机产生匹配被测电机峰值负载转矩最大值的反电势；再调节可变电阻的阻值使被测电机负载转矩达到被测电机的峰值转矩；

步骤3：启动定时器，调节一号旋钮和二号旋钮分别设置定时器的峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间；当峰值转矩保持时间启动脉冲到来时，固态继电器开通，转矩加载回路闭合，同步发电机产生反转转矩，被测电机转矩值上升至峰值负载转矩，被测电机承受峰值负载转矩至下一个负载转矩保持时间启动脉冲到来，被测电机所加峰值负载转矩的时间为设定的峰值转矩保持时间；当负载转矩保持时间启动脉冲到来时，转矩加载回路断开，同步发电机产生微小负载转矩，被测电机承受微小负载转矩至下一个峰值转矩保持时间启动脉冲到来，被测电机所加微小负载转矩的时间为设定的负载转矩保持时间；在转矩转速显示仪上显示加载在被测电机转轴上的负载转矩值和被测电机转速值；由此实现被测电机负载转矩脉冲型变化。

具体实施例：

本发明的工作原理如下：

当一个同步发电机被被测电机带着旋转且有规定的励磁时，同步发电机的电枢绕组上会产生感应电动势e

e

式中：Ke为反电势常数(伏/秒)，ω(t)为电机转速(弧度/秒)。

若在电枢绕组接线端通过整流桥跨接一个可变电阻，则在可变电阻和电枢绕组中将有电流i

式中：R

i

M

由公式(1)、(2)、(3)可知，加载电流i

参照图3，定时装置的控制芯片作为定时器的核心元件，用于编写定时器的定时逻辑，保证定时准确无误差；一号旋钮用于设置峰值转矩保持时间，峰值转矩保持时间通过显示屏1显示；二号旋钮用于设置负载转矩保持时间，负载转矩保持时间通过显示屏2显示。定时器输入端的正负端子与直流稳压开关电源的正负端子连接；直流稳压开关电源为定时器提供15VDC的工作电压；定时器输出端的正负端子与固态继电器的输入端正负端子连接，控制固态继电器的关断与开通；固态继电器的负载端与可变电阻和整流桥连接，形成闭合回路。定时器可灵活设置负载转矩保持时间和负载转矩保持时间，与定时器相连接的固态继电器可按定时器设置时间开通与关断，固态继电器的通断决定转矩加载回路的断开与闭合；当定时器工作于峰值转矩保持时间状态时，固态继电器立即开通，开通时间为峰值转矩保持时间，转矩加载回路闭合，被测电机经过短暂的转矩上升时间后，承受峰值负载转矩；当峰值转矩保持时间运行结束后，定时器立刻工作于负载转矩保持时间状态，固态继电器立刻断开，断开时间为负载转矩保持时间，可变电阻被断开，转矩加载回路不工作，则被测电机承受的转矩值经过短暂的下降时间，立即降到由同步发电机带来的微小负载转矩值，并继续运行。即根据峰值转矩保持时间脉冲和负载转矩保持时间脉冲可控制转矩加载回路的断开与闭合时间，实现被测电机转矩由峰值转矩到微小负载转矩的脉冲式变化。如图4所示。

其中，微小负载转矩≤0.1％FS，峰值转矩上升/下降时间小于等于0.05s。

同步发电机通过一号联轴器与转矩转速传感器一侧连接，转矩转速传感器另一侧又通过二号联轴器与被测电机相连接，安装时保证两个电机的同轴度，以减小负载转矩误差；同步发电机的电枢三相绕组通过导线与整流桥交流侧连接，整流桥用于连接定时装置和可变电阻；可变电阻通过导线与定时装置连接，串接在整流桥的直流侧，保证定时装置的回路闭合。当定时装置工作时，可根据被测电机的峰值转矩大小，动态调节可变电阻的阻值，以改变同步发电机所产生的反转转矩大小，实现被测电机负载转矩的动态调节。

转矩转速传感器两侧通过一号联轴器和二号联轴器与被测电机和同步发电机连接，用于实时检测加载在被测电机轴上的负载转矩大小和其转速；转矩转速传感器显示仪与转矩转速传感器连接，用于实时显示转矩和转速的大小。

启动被测电机，被测电机转动过程中带动同步发电机转动，被测电机承受微小负载转矩运行。当做峰值转矩冲击测试时，首先根据被测电机峰值负载转矩值的大小，将被测电机转速增加至一定值，使得同步发电机能产生足够大的反电势，进而手动调节可变电阻的阻值至一定值，以保证负载转矩能达到被测电机的峰值转矩；然后启动定时器，通过一号旋钮和二号旋钮设置定时器的峰值转矩保持时间和负载转矩保持时间，定时器将按照设定的时间控制与之相连接的固态继电器的开通与关断。当峰值转矩保持时间脉冲到来时，固态继电器开通，转矩加载装置回路闭合，同步发电机产生反转转矩，被测电机转矩值由一个微小值快速上升至峰值转矩，所加峰值负载转矩的时间即为固态继电器开通时间，此时可通过转矩转速显示仪观察转矩转速的值。当负载转矩保持时间脉冲到来时，转矩加载回路断开，同步发电机产生微小的负载转矩，被测电机承受此微小负载转矩至下一个峰值转矩脉冲到来。至此，一个工作周期结束，实现了被测电机负载转矩脉冲型变化。