一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统及测试方法
阅读说明：本技术 一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统及测试方法 (Torque control system and test method of rotary linear magnetic screw ) 是由 余海涛 车志远 林岚 庞玉毅 叶志成 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及力矩测试领域,具体的是一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统及测试方法,控制系统包括安装平板,所述安装平板上依次安装有永磁同步电机、轴承固定器和测试体,永磁同步电机的输出端通过联轴器安装有磁力丝杠,磁力丝杠设置在两个轴承固定器之间,磁力丝杠和测试体之间安装有力矩传感器。测试方法包括建立磁力丝杠电磁推力与永磁同步电机电流之间的关系,进而建立电磁转矩和电磁推力之间的关系和建立电磁转矩和电流之间的关系。本发明通过引入磁力丝杠和相关的测试装置,可消除传统机械丝杠的摩擦影响,延长装置的使用寿命,能有效提高力矩控制的精度和运行的稳定性,从而获取被测试材料的抗拉压特性。(The invention relates to the field of torque testing, in particular to a torque control system and a torque testing method of a rotary linear magnetic screw rod. The testing method comprises the steps of establishing a relation between the electromagnetic thrust of the magnetic screw and the current of the permanent magnet synchronous motor, further establishing a relation between the electromagnetic torque and the electromagnetic thrust and establishing a relation between the electromagnetic torque and the current. By introducing the magnetic lead screw and the related testing device, the invention can eliminate the friction influence of the traditional mechanical lead screw, prolong the service life of the device, and effectively improve the accuracy of torque control and the stability of operation, thereby obtaining the tensile compression characteristic of the tested material.)
技术领域
本发明涉及力矩测试领域，具体的是一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统及测试方法。
背景技术
近年来，随着社会经济的发展和科学技术的进步，直线运动普遍存在于诸多工业应用场合中。传统的直线运动实现方式主要分为“旋转电机+机械丝杠”的传动形式，以及永磁直线同步电机。然而，机械丝杠中的传动装置，不可避免地存在机械摩擦，并且存在机械齿隙，难以满足高精度，高可靠性和高功率密度的控制目标。
磁力丝杠作为一种新型运动机构，利用非接触式的磁力耦合作用，能实现旋转与直线运动之间的转换，具有易于维护和高可靠性等优点，在新能源发电，精密制造医疗等领域具有广阔地应用前景。驱动永磁同步电机可以产生旋转运动，通过磁力丝杠将其转化为直线运动。当被测试的物体发生形变时，其受到的力矩可以通过传感器实时获取。由此可见，对基于旋转直线的磁力丝杠进行力矩控制与测试，具有重要的理论价值和应用研究意义。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统及测试方法，通过引入磁力丝杠和相关的测试装置，可消除传统机械丝杠的摩擦影响，延长装置的使用寿命，能有效提高力矩控制的精度和运行的稳定性，从而获取测试体的抗拉压特性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统，包括安装平板，所述安装平板上依次安装有永磁同步电机、轴承固定器和测试体，永磁同步电机的输出端通过联轴器安装有磁力丝杠，磁力丝杠设置在两个轴承固定器之间，磁力丝杠和测试体之间安装有力矩传感器。
进一步地，所述永磁同步电机上安装有动力线接头和编码器接头，编码器接头获取电机转子的实时位置，在动力线接头处接入三相电压，实现永磁同步电机的转矩闭环控制。
进一步地，所述联轴器将永磁同步电机的转子与磁力丝杠的转子进行同轴连接，从而将永磁同步电机输出的转矩传送给磁力丝杠，使其与永磁同步电机同频率旋转。
进一步地，所述磁力丝杠包括和联轴器固定安装的转子和安装在转子上的动子，动子的端部安装有贯穿轴承固定器的滑杆，滑杆的端部安装有圆盘，圆盘和力矩传感器固定安装，力矩传感器和测试体固定安装。
进一步地，所述磁力丝杠通过磁力耦合作用将转子的旋转运动转化为动子的直线运动，动子通过四根滑杆与圆盘进行连接，圆盘将进行轴向的直线运动，呈S型的力矩传感器将圆盘产生的拉压作用传动给测试体，并通过设置在力矩传感器上的传感器信号线接头实时获取磁力丝杠的力矩数值。
进一步地，所述动子由动子铁心和动子永磁体组成，转子由转子铁心以及表贴在其表面呈螺旋状分布的转子永磁体组成。
一种旋转直线磁力丝杠的力矩测试方法，所述力矩测试方法包括以下步骤：
步骤1、建立磁力丝杠电磁推力与永磁同步电机电流之间的关系
步骤1.1、电磁转矩和电磁推力之间的关系
定义转子上异名磁极和同名磁极之间的距离分别为极距和螺距，有如下的关系成立：
λ＝2τ (1)
其中，λ为磁力丝杠的螺距，τ为磁力丝杠的极距；
磁力丝杠垂直轴向弯曲使得转子的首尾相连，则形成一个圆环结构，根据几何关系，可得
2πR＝2pnτ (2)
其中，π为圆周率，R为磁力丝杠等效圆环的半径，pn为磁力丝杠的极对数；
联立式(1)和(2)，可得
2πR＝pnλ (3)
另外，电磁转矩和电磁推力满足
Te＝FeR (4)
其中，Te为磁力丝杠的转子的电磁转矩，Fe为磁力丝杠的动子的电磁推力；
联立式(3)和(4)，可得
步骤1.2、电磁转矩和电流之间的关系
转子的电磁转矩是由永磁同步电机经过联轴器传送得到，对于表贴式永磁同步电机，其电磁转矩方程为
Te＝KTiq (6)
其中，KT＝3pnsψf/2为电磁转矩系数，pns为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁同步电机永磁体的磁链，iq为永磁同步电机q轴绕组的电流；
联立式(5)和(6)，可得
其中，Ks＝2πKT/pnλ为磁力丝杠的电磁推力系数。
本发明的有益效果：
1、本发明引入磁力丝杠取代传统的机械丝杠，能消除传统机械丝杠的摩擦影响，在延长装置的使用寿命的同时，能提高系统运行的稳定性，使得磁力丝杠的力矩控制系统具有良好的动态性能和稳态精度；
2、本发明推导得到磁力丝杠电磁推力与永磁同步电机电流之间的关系，为后续的研究提供了便捷；
3、本发明通过S型力矩传感器将磁力丝杠和被测试材料连接，能实时获取其抗拉压特性，达到检测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明力矩控制系统示意图；
图2是本发明磁力丝杠基本结构示意图；
图3是本发明变送器力矩电压示意图；
图4是本发明力矩电流时间示意图；
图5是本发明力矩形变量示意图；
附图标记如下：安装平板1，永磁同步电机2，联轴器3，轴承固定器4，磁力丝杠5，力矩传感器6，测试体7，动力线接头2a，编码器接头2b，动子5a，转子5b，滑杆5c，圆盘5d，动子铁心5a1，动子永磁体5a2，转子永磁体5b1，转子铁心5b2，传感器信号线接头6a。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种旋转直线磁力丝杠的力矩控制系统，如图1所示，包括安装平板1，安装平板1上依次安装有永磁同步电机2、轴承固定器4和测试体7，永磁同步电机2的输出端通过联轴器3安装有磁力丝杠5，磁力丝杠5设置在两个轴承固定器4之间。磁力丝杠5和测试体7之间安装有力矩传感器6，待所有结构调整好同轴度后，用若干螺栓进行固定。
如图1所示，永磁同步电机2上安装有动力线接头2a和编码器接头2b，编码器接头2b获取电机转子的实时位置，在动力线接头2a处接入三相电压，实现永磁同步电机2的转矩闭环控制。联轴器3将永磁同步电机2的转子与磁力丝杠5的转子进行同轴连接，从而将永磁同步电机2输出的转矩传送给磁力丝杠5，使其与永磁同步电机2同频率旋转。
通过两个轴承固定器4将磁力丝杠5轴向固定，并保持与安装平板1的表面水平。磁力丝杠5包括和联轴器3固定安装的转子5b和安装在转子5b上的动子5a，动子5a的端部安装有贯穿轴承固定器4的滑杆5c，滑杆5c的端部安装有圆盘5d，圆盘5d和力矩传感器6固定安装，力矩传感器6和测试体7固定安装。
磁力丝杠5通过磁力耦合作用将转子5b的旋转运动转化为动子5a的直线运动，动子5a通过四根滑杆5c与圆盘5d进行连接，圆盘5d将进行轴向的直线运动。呈S型的力矩传感器6将圆盘5d产生的拉压作用传动给测试体7，并通过设置在力矩传感器6上的传感器信号线接头6a实时获取磁力丝杠5的力矩数值。
如图2所示，动子5a由动子铁心5a1和动子永磁体5a2组成，转子5b由转子铁心5b2以及表贴在其表面呈螺旋状分布的转子永磁体5b1组成。转子磁场和动子磁场在磁力耦合的相互作用下，实现旋转与直线双自由度的运动变换。
一种旋转直线磁力丝杠的力矩测试方法，包括以下步骤：
步骤1、建立磁力丝杠电磁推力与永磁同步电机电流之间的关系
步骤1.1、电磁转矩和电磁推力之间的关系
定义转子5b上异名磁极和同名磁极之间的距离分别为极距和螺距，根据图2所示的磁力丝杠，有如下的关系成立：
λ＝2τ (1)
其中，λ为磁力丝杠5的螺距，τ为磁力丝杠5的极距。
如果将磁力丝杠5垂直轴向弯曲，使得转子5b的首尾相连，则此时形成一个圆环结构，根据几何关系，可得
2πR＝2pnτ (2)
其中，π为圆周率，R为磁力丝杠5等效圆环的半径，pn为磁力丝杠5的极对数。
联立式(1)和(2)，可得
2πR＝pnλ (3)
另外，电磁转矩和电磁推力满足
Te＝FeR (4)
其中，Te为磁力丝杠5的转子5b的电磁转矩，Fe为磁力丝杠5的动子5a的电磁推力。
联立式(3)和(4)，可得
步骤1.2、电磁转矩和电流之间的关系
转子5b的电磁转矩是由永磁同步电机2经过联轴器3传送得到，对于表贴式永磁同步电机2，其电磁转矩方程为
Te＝KTiq (6)
其中，KT＝3pnsψf/2为电磁转矩系数，pns为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁同步电机2永磁体的磁链，iq为永磁同步电机q轴绕组的电流。
联立式(5)和(6)，可得
其中，Ks＝2πKT/pnλ为磁力丝杠5的电磁推力系数。
由式(7)可知，磁力丝杠5的电磁推力Fe与永磁同步电机q轴电流iq成正比。另外，磁力丝杠5的电磁推力系数Ks为常值，因此，对iq进行控制，即可实现对磁力丝杠5的力矩控制。
如图3所示，S型力矩传感器6的信号线接到变送器后，可以根据变送器输出的等效电压U实时获取测试体7的力矩数值F，并能在示波器查看其变化曲线。
如图4所示，给驱动器输入随时间线性增加的永磁同步电机2的q轴电流iq，那么根据式(7)可知，磁力丝杠5的电磁推力Fe也随时间呈递增变化。
如图5所示，假设测试体7满足胡克定律，且力矩传感器6的量程远大于测试体7所能承受的力矩。当磁力丝杠5的电磁推力Fe随永磁同步电机2的q轴电流iq正比变化时，在弹性形变x0范围内，测试体7发生的形变量可以根据变送器的输出计算得到。如果形变量x介于x0和最大形变量x1之间，测试体7的力矩F将小于电磁推力Fe。如果电磁推力Fe继续增大，使得形变量x大于x1，则测试体7被损坏(比如发生断裂)，此时，测试体7的力矩F突变为零，变送器输出电压U为零。
由以上的分析可知，当磁力丝杠5输出随时间恒定的电磁推力Fe，且在弹性形变范围内时，可以得到测试体7发生的形变量，从而获得相应的抗拉压特性。
本实施方案中，引入旋转直线磁力丝杠取代传统的机械丝杠，能有效避免传动装置中摩擦和齿隙等因素带来的影响，从而使磁力丝杠5的力矩控制系统具有良好的动态性能和控制精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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