專利名稱：直線電機機械特性測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于對直線電機機械特性分析的測試系統(tǒng)及方法，屬于直線電機性能檢測技術(shù)領(lǐng)、域。
背景技術(shù)：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)換為彈'性體的機械振動能，并依靠摩 擦力來驅(qū)動的新型電機。作為一種全新的能量轉(zhuǎn)換器件，它具有低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量 輕、功率密度大、響應(yīng)速度快、微位移、不受電磁場的影響、掉電自鎖、設(shè)計自由度大等優(yōu) 點，在航空航天、醫(yī)療器械、精密儀器、精加工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前。超聲電機的發(fā)展僅 僅有二十多年的歷史。早期的研究重點集中在新結(jié)構(gòu)樣機的開發(fā)和其運行機理的研究。隨著 超聲電機研究的深入和走向市場化，目前，人們關(guān)注超聲電機運行的穩(wěn)定性和可控制性。超 聲電機的控制技術(shù)是實現(xiàn)超聲電機穩(wěn)定運行和有效控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。而對其運行特性的 檢測是實現(xiàn)其有效控制(運行特性控制和精確定位控制)的前提。開發(fā)超聲電機機械特性測 試系統(tǒng)，有助于超聲電機動態(tài)性能參數(shù)測試、定位控制和控制策略的研究。文獻l (楊樹國， 石忠東，穆欣。直線電機測試系統(tǒng)開發(fā)及性能分析。微特電機，2007， 6: 19-21)開發(fā)了永
磁交流同步直線電機測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特征為通過伺服旋轉(zhuǎn)電機帶動絲杠螺母推動
導(dǎo)軌對直線運動施加負(fù)載，因此導(dǎo)軌的運行速度取決于伺服旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)速度。在測試中 為了實現(xiàn)對電機施加負(fù)載，絲杠導(dǎo)軌的運動方向與電機的運動趨勢向反，由于直線電機初級 與絲杠之間直接通過壓力傳感器連接，所以電機初級的實際運動是同絲杠導(dǎo)軌一樣的，測試 系統(tǒng)不能測試直線電機的運行速度，僅僅能測試與電機運動方向相反的絲杠導(dǎo)軌運行速度。 該系統(tǒng)的測試方式確定它不能同時測定電機的輸出力和運行速度，更不能用來分析電機的啟、 停特性。超聲電機響應(yīng)速度快，其機械特性受外界負(fù)載影響大，所上述測試系統(tǒng)不能測試直 線超聲電機輸出力和速度的關(guān)系特性及其機械特性。目前尚無關(guān)于超聲電機機械特性測試系 統(tǒng)的報道，因此需要開發(fā)能夠測試直線超聲電機機械特性的測試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)。 一種用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)，包括壓力傳感器和光柵尺，其中標(biāo)尺光柵 被固定在位移尺上，隨滑動軸運動。電機啟動后動子推動滑動軸在導(dǎo)軌上運動，導(dǎo)軌使彈簧 產(chǎn)生變形，并對壓力傳感器施加壓力，并由數(shù)據(jù)采集平臺采集壓力信號；在滑動軸運動的過 程中光柵線傳感器輸出位移脈沖，并由數(shù)據(jù)處理器同步采集位移信號。所采集的信號經(jīng)過數(shù) 據(jù)處理器處理后，得到直線電機速度一輸出力關(guān)系曲線及其相關(guān)的機械特性。
上述結(jié)構(gòu)保證(1)同歩采集直線電機在啟動、運行、停止時刻的推力和位移的大??； (2)并由PC機實時處理采集到的數(shù)據(jù)，實時顯示直線電機的輸出力-位移的特性曲線；(3) 該直線電機機械特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高效采集直線電機的輸出力和位移量，直接有效地 反映直線電機的推力-速度的特性關(guān)系及其輸出特性。
本發(fā)明的基本特征在于直線電機動子與壓力傳感器之間通過彈簧連接，使得直線電機 動子的運行不受阻礙，通過直線超聲電機自身直接推動滑動導(dǎo)軌運動，因此導(dǎo)軌的運行速度 為電機的速度；同時，隨著導(dǎo)軌的運動，彈簧被壓縮，此時彈簧的張力增加，電機所受的負(fù) 載同歩增加。
電機的啟、停特性表現(xiàn)為電機開機(或關(guān)機)后到速度穩(wěn)定(停止)這段時間內(nèi)的時間 一速度特性。壓力傳感器、彈簧、導(dǎo)軌和電機動子的連接方式保證電機的啟、停不受阻礙， 以實現(xiàn)啟、停特性的測量。


圖1是數(shù)據(jù)采集平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是直線電機機械特性測試系統(tǒng)的原理圖。
圖3為用于測試的K型直線超聲電機。
圖中的標(biāo)號名稱l壓力傳感器；2光柵槽；3質(zhì)量塊；4位移尺；5滑動軸；6底座；7 固定槽；8導(dǎo)軌9彈簧10直線電機；ll位移尺；12光柵讀數(shù)頭；13數(shù)據(jù)采集卡；14電 腦；21.夾持件；31.壓電陶瓷片；41.前端；42.驅(qū)動足;51電極片；61.后端；71.滑條。
具體實施例方式
一種用于測試直線電機輸出力與速度的測試平臺如圖l所示。其特點在于所述的平臺
的測試器件主要有壓力傳感器和光柵線位移傳感器。將直線電機安裝在固定槽上，保持直線
電機的動子與軸及質(zhì)量塊在同一直線上；將適當(dāng)長度的光柵標(biāo)尺貼于位移尺上，以便于安裝 在光柵槽上的讀數(shù)頭能在電機整個啟動停止過程中采集光柵的脈沖計數(shù)；電機啟動前，將質(zhì)量塊靠近直線電機的動子，保持兩者接觸且無其他外力作用于兩者。啟動直線電機后，直線 電機的動子推動質(zhì)量塊和滑動軸壓縮傳感器前端的彈簧，彈簧產(chǎn)生壓縮形變，此時動子的動 能轉(zhuǎn)換成彈簧的彈性勢能，由于力的作用性與反作用性，動子的推力通過彈簧作用在壓力傳 感器上。位移尺與質(zhì)量塊一起向前運動的過程中，貼在位移尺上的標(biāo)尺光柵與安裝在光柵槽 上的光柵讀數(shù)頭中的指示光柵產(chǎn)生相對位移，光柵讀書頭輸出位移脈沖，通過數(shù)據(jù)卡同步實 時釆集位移脈沖信號和壓力傳感器的電壓值。
直線電機測試系統(tǒng)原理如圖2所示。通過采集壓力與位移兩路信號，并將二者在PC機上
逬行處理，根據(jù)公式v-^將位移量轉(zhuǎn)換為速度量，實現(xiàn)直線電機輸出力-速度的特性曲線圖
的繪制。
通過同步直線電機輸入端的輸入電壓和電流信號以及輸出端的采集壓力與位移兩路信 號，并將在PC機上進行處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)直線電機輸出力-功率的特性曲線圖的繪制，以及 輸出力-效率的特性曲線圖的繪制。
系統(tǒng)所記載的電機啟動后的一段時間內(nèi)的時間一速度特性能夠被用來分析電機的啟動特 性，而系統(tǒng)所記載的電機關(guān)機后到停機這段時間內(nèi)的時間一速度特性能夠被用來分析電機的 關(guān)停特性。
下面是一個用于K型直線超聲電機測試的例子。
該K型直線超聲電機定子是由兩個蘭杰文振子中心線互相垂直構(gòu)成K字形，該電機的動 子是一滑條，采用兩個相位差為;r/2的正弦信號同時激勵定子的兩個壓電振子，激發(fā)定子兩 個同頻相位差;r/2的振動模態(tài)，使定子上驅(qū)動足質(zhì)點做橢圓運動。
將該K型直線超聲電機固定在直線電機測試系統(tǒng)的固定槽上，動子與質(zhì)量塊相接觸，并 保持電機的動子與測試系統(tǒng)的質(zhì)量塊和滑動軸處于同一軸線上，且無外力作用于動子與質(zhì)量 塊之間。在相位差;r/2的兩項正弦激勵信號作用下，直線電機的滑軌做直線運動，并推動質(zhì) 量塊和滑動軸在導(dǎo)軌上運動，并壓縮彈簧，由于力的作用性與反作用性，壓力傳感器輸出壓 力信號，位移尺與質(zhì)量塊一同運動，光柵讀書頭輸出光柵脈沖信號，數(shù)據(jù)采集卡同時采集兩 路壓力和位移信號，輸入PC機進行處理，輸出K型直線電機的輸出力-速度的特性曲線；在 電機運行時，PC機同步采集電機的輸入端的電流和電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，并能夠給出 電機的輸出力-功率的特性曲線以及輸出力-效率的特性曲線；也能用于分析電機的啟、停特 性。
權(quán)利要求
1、一種用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)，其特征在于包括數(shù)據(jù)采集平臺和數(shù)據(jù)處理器兩部分組成，其中數(shù)據(jù)采集平臺包括與直線電機輸出端相聯(lián)系的壓力傳感器和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡，其中數(shù)據(jù)采集卡與上述壓力傳感器相聯(lián)用于采集壓力信號，還與上述位移傳感器相聯(lián)用于同步采集位移信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù) 據(jù)采集平臺具體結(jié)構(gòu)如下.包括底座(6)、安裝于底座上的導(dǎo)軌(8)、通過導(dǎo)軌上的滑動軸(5)安裝質(zhì)量塊(3);位移尺(4)與質(zhì)量塊固定連接的可隨其一起滑動，位移尺上貼有標(biāo)尺光柵，所述位移尺、 標(biāo)尺光柵以及安裝于底座上的光柵讀數(shù)頭構(gòu)成了位移傳感器；遠離質(zhì)量塊一端的底座上支架上安裝有壓力傳感器(1)，所述壓力傳感器通過彈簧組件 與所述質(zhì)量塊聯(lián)系以檢測壓力信息。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)，其特征在于所述靠近 質(zhì)量塊一端的底座上設(shè)有直線電機固定槽。
4、 一種用于測試直線電機機械特性的測試方法，其特征在于 同步采集直線電機輸出的壓力信號及位移信號；所采集的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理后，得到直線電機速度一輸出力關(guān)系曲線及其相關(guān)的 輸出特性。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測試直線電機機械特性的測試方法，其特征在于 所述的同步采集直線電機輸出的壓力信號及位移信號是依靠以下具體方式實現(xiàn)的利用運動的直線電機動子推動質(zhì)量塊并壓縮彈簧產(chǎn)生形變，從而對壓力傳感器施加壓力；利用運動的直線電機動子推動質(zhì)量塊并帶動位移尺上貼有的標(biāo)尺光柵移動，并利用光柵讀數(shù) 頭讀數(shù)，由光柵編碼器輸出位移脈沖。
6、 一種用于測試直線電機機械特性的測試方法，其特征在于同步采集直線電機輸入端的電壓和電流信號以及輸出的壓力信號和位移信號；所采集的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理后，得到直線電機輸出力一功率關(guān)系曲線及其相關(guān)的輸出特性，以及輸出力一效率關(guān)系曲線及其相關(guān)的輸出特性。
7、 一種用于測試直線電機機械特性的測試方法，其特征在于同步采集直線電機輸入端的電壓和電流信號以及輸出的壓力信號和位移信號；所采集的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理后，得到直線電機輸啟、停特性。
全文摘要
一種用于測試直線電機機械特性的測試系統(tǒng)及方法，屬于直線電機性機械能檢測技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集平臺和數(shù)據(jù)處理器兩部分組成，其中數(shù)據(jù)采集平臺包括與直線電機輸出端相聯(lián)系的壓力傳感器和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡，其中數(shù)據(jù)采集卡與上述壓力傳感器相聯(lián)用于采集壓力信號，還與上述位移傳感器相聯(lián)用于同步采集位移信號。所采集的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器處理后，得到直線電機速度-輸出力關(guān)系曲線及其相關(guān)的輸出特性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高效采集直線電機的輸出力和位移量，直接有效地反映直線電機的推力-速度的特性關(guān)系及其輸出特性。
文檔編號G01L3/24GK101509815SQ20081024292
公開日2009年8月19日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者辛 吳, 姚志遠, 東 楊 申請人:南京航空航天大學(xué)