一种惯性负载模拟装置的制作方法

本发明属于航天用伺服电机加载测试领域，具体涉及一种航天伺服电机惯性负载模拟装置。

背景技术：

航天用伺服电机，作为机电伺服系统的关键动力元件，接收控制系统的位置指令，驱动空气舵或喷管负载。其典型工况为频繁加减速，除承受驱动负载运动的弹性负载和摩擦负载外，还承受惯性负载。电机的动态特性，成为衡量伺服电机性能的重要的技术指标，直接关系到机电伺服系统驱动喷管或舵面负载的输出能力及加减速快响应能力。

为充分考核航天用伺服电机的动态性能，在试验室测试电机性能阶段，需在电机变工况运动时，施加惯性负载。惯性负载与伺服电机转子位置、转速大小无关，与转速方向有关，只在伺服电机动态变化的过程中产生，因此，要实现惯性负载模拟，首先需要进行负载惯量等效、加速度测量。同时，航天用伺服电机功率等级及电压等级较高，在试验过程中，要防止伺服电机运行过程中PWM脉冲波尖峰电压电磁干扰对惯性负载模拟装置产生噪声。

现有的惯性负载模拟装置采用低频大挠度可调惯性负载模拟件，其负载为太阳帆板，与喷管或舵负载相比，频率低，不适应航天伺服电机高频大幅度运动的工况条件；并且，目前惯性负载模拟装置中，均通过加载盘或惯量块单一加载或组合加载实现惯量模拟，需不断装调拆卸、操作繁琐、费时费力。对于加速度测量，目前的惯性负载模拟装置采用速度微分获得加速度，受噪声干扰太大，加速度值不准确。

技术实现要素：

本发明针对航天伺服电机高频大幅度典型工况，提供了一种惯性负载模拟装置，该装置惯量模拟简单易操作、加速度测量精准高可靠，具有噪声隔离功能、结构紧凑布局的一体化设计优点。

实现本发明目的的技术方案：一种惯性负载模拟装置，该装置包括第一联轴器、扭矩传感器、加速度传感器、第二联轴器、电滑环、加载电机，第一联轴器的输出端与扭矩传感器的输入轴连接，扭矩传感器的输出轴与第二联轴器的一端连接，第二联轴器内安装有加速度传感器，第二联轴器的另一端与电滑环的一端连接。

所述的扭矩传感器的底部固定在第二支架上，第二支架底部固定在地轨上。

所述的加载电机固定在第三支架的上，第三支架的底部固定在地轨上。

所述的第二联轴器中间开有环形凹槽，第二联轴器两侧柱体各自沿周向均布多个螺纹孔，第二联轴器两侧柱体上各自沿周向均布多个切面，每个切面上各自开有一个螺纹孔；第二联轴器一侧柱体的内侧上开有一个槽，该柱体内部、槽的内侧设有安装传感器紧固螺纹孔；第二联轴器不同柱体上相邻的两个切面上固定一个压片。

所述的加速度传感器安装于第二联轴器的槽内。

所述的电滑环包括转子和套在转子外的定子，转子的一端与第二联轴器的连接。

所述的电滑环的转子上沿轴向开有转子通孔，电滑环的定子上沿轴向开有定子通孔。

本发明的有益技术效果：(1)本发明采用加载电机、低惯量联轴器、扭矩传感器三者的惯量模拟负载惯量，逼近真实负载惯量；采用控制柜在加载驱动 器中植入惯量补偿算法，进行微调，完全等效真实负载惯量。(2)联轴器使用数量为2个，且惯量在三者中所占比重最大，致使三者惯量远远大于负载惯量，为真实逼近模拟负载惯量，采用树脂材料加工设计联轴器，树脂材料的低密度性，使联轴器惯量大幅度下降，树脂材料的高强度性，使其实现紧固的联接功能，最重要的是，树脂材料的绝缘性，阻断了被测电机PWM脉冲波尖峰电压电磁干扰通过联轴器传导辐射至扭矩传感器及被测电机，提高了系统工作的可靠性；低惯量树脂联轴器实现了模拟惯量与负载惯量的等效匹配，物理隔离了被测电机的传导电磁噪声，惯量补偿算法实现了模拟惯量与负载惯量的精确匹配，惯量模拟简单易操作，可针对不同负载进行惯量模拟。(3)本发明采用贴片微型加速度传感器，直接测量惯性负载模拟装置的加速度；采用电滑环，解决了加速度传感器的线缆在轴旋转系统中的缠绕问题；贴片微型加速度传感器及电滑环获得加速度的方式，与传统采集速度、进行微分获得加速度的方式相比，更加准确可靠，噪声小。(4)本发明采用一体化结构设计，实现了噪声隔离问题及加速度传感器线缆引出问题；联轴器采用开槽设计，加速度传感器内置于槽内，电滑环安装于轴上，加速度传感器线缆在联轴器凹槽内缠绕后引入电滑环转子，最终线缆经电滑环定子引出；加速度传感器内置于联轴器的结构隔离了被测电机对加速度传感器的辐射电磁噪声的影响，加速度传感器线缆在凹槽内缠绕固定后引入电滑环的转子的结构设计解决了加速度传感器在轴旋转系统中的线缆引出问题。(5)采用本发明的装置进行惯量负载模拟时，具有惯量补偿功能，低惯量的联轴器、扭矩传感器、加载电机三者的惯量逼近真实负载惯量时，可通过上位机软件，进行惯量补偿，实现模拟惯量的微调，使模拟惯量与负载惯量完全效，同时，当负载改变，惯量改变时，不需要更换惯性负载模拟装置，只需要进行惯量补偿，即可实现惯量等效模拟，简单易操作。

附图说明

图1为本发明所提供的一种惯性负载模拟装置安装在伺服电机动态加载系统中的示意图；

图2为本发明所提供的未安装压片的惯量联轴器的三维示意图；

图3为本发明所提供的未安装压片的低惯量联轴器的二维俯视图；

图4为图3的A-A向剖视图；

图5为本发明所提供的未安装压片的惯量联轴器的三维示意图；

图6为图5的二维图；

图7为本发明所提供的电滑环的左视三维示意图；

图8为本发明所提供的电滑环的右视三维示意图。

图9为本发明所提供的加速度传感器的示意图。

图中：1.待测电机，2.第一支架，3.第一联轴器，4.扭矩传感器，5.第二支架，6.加速度传感器，7.第二联轴器，8.电滑环，9.第三支架，10.加载电机，11.螺钉，12.地轨，13.被测电机驱动器，14.加载驱动器，15.第一信号线，16.第二信号线，17.第三信号线，18.第四信号线，19.控制柜；

6-1.安装孔；

7-1.联轴器连接螺纹，7-2.加速度传感器引出线固紧螺纹孔，7-3.槽，7-4.切面，7-5.加速度传感器紧固螺纹孔，7-6凹槽，7-7压片；

8-1.转子，8-2.定子，8-3.转子通孔，8-4.定子通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所涉及的惯性负载模拟装置搭建于伺服电机动态加载系统中，伺服电机动态加载系统包括待测电机1、第一支架2、第一联轴器3、 扭矩传感器4、第二支架5、加速度传感器6、第二联轴器7、电滑环8、第三支架9、加载电机10、螺钉11、地轨12、被测电机驱动器13、加载驱动器14、第一信号线15、第二信号线16、第三信号线17、第四信号线18、控制柜19。第一联轴器3、扭矩传感器4、第二支架5、加速度传感器6、第二联轴器7、电滑环8、第三支架9、加载电机10组成惯性负载加载装置。加载电机10、加载驱动器14、控制柜19及惯性负载模拟装置构成力矩闭环加载系统。

被测电机驱动器13的输出端通过第一信号线15与待测电机1的输入端连接，待测电机1的输出轴通过螺钉与第一联轴器3的一端固定连接，第一联轴器3的另一端通过螺钉与扭矩传感器4的输入轴连接。待测电机1的一侧通过螺钉固定在第一支架2侧板上，第一支架2底部通过螺钉11固定在地轨12上，第一支架2底部通过螺钉11固定在地轨12上；扭矩传感器4的底部通过螺钉固定在第二支架5上，第二支架5底部通过螺钉11固定在地轨12上。扭矩传感器4的输出轴通过螺钉与第二联轴器7的一端固定连接，第二联轴器7内安装有加速度传感器6。

如图2、3、4、5、6所示，第二联轴器7中间开有环形凹槽7-6，第二联轴器7两侧柱体上各自沿周向均布8个螺纹孔7-1，第二联轴器7两侧柱体各自沿周向均布3个切面7-4，每个切面7-4上各自开有一个加速度传感器引出线固紧螺纹孔7-2；第二联轴器7一侧柱体的内侧上开有一个槽7-3，该柱体内部、槽7-3的内侧设有安装加速度传感器紧固螺纹孔7-5。第二联轴器7不同柱体上相邻的两个切面7-4上固定一个压片7-7，即3个压片7-7通过螺钉、螺纹孔7-2固定在6个切面7-4上，第二联轴器7、与位于其外侧壁上的轴上联轴器膜片通过螺钉、联轴器螺纹孔7-1固定连接。

如图7和图8所示，电滑环8包括转子8-1和套在转子外的定子8-2，转子 8-1与转子8-2之间设有滚动轴承，转子8-1能够绕定子8-2转动，转子8-1的一端通过螺钉与第二联轴器7的另一端固定连接，加载电机10的输出轴插在转子8-1的中心孔内、且两者之间通过键连接。电滑环8的转子8-1上沿轴向开有转子通孔8-3，电滑环8的定子8-2上沿轴向开有定子通孔8-4。

如图8所示，加速度传感器6两端各设有一个支耳，加速度传感器6的支耳上的安装孔6-1、加速度传感器紧固螺纹孔7-5安装于第二联轴器7的槽7-3内，加速度传感器的线缆缠绕于第二联轴器7的凹槽7-6内，并在每个切面7-4上通过螺钉、加速度传感器引出线固紧螺纹孔7-2固紧一个压片7-7，使得加速度传感器6的线缆完全缠绕固定于凹槽7-6内。加速度传感器6的线缆在第二联轴器7的凹槽7-6内缠绕完进入电滑环8的转子通孔8-3，由电滑环8的定子通孔8-4引出，防止了加速度传感器6的线缆缠绕在加载电机10的输出轴上。

第一联轴器3、第二联轴器7的材料为绝缘树脂材料。加速度传感器6为贴片微型加速度传感器。

加载电机10的一侧通过螺钉固定在第三支架9的侧板上，第三支架9的底部通过螺钉11固定在地轨12上。加载电机10输入端通过第二信号线16与加载驱动器14的输出端连接，加载驱动器14的输入端通过第四信号线18与控制柜19的输出端连接；控制柜19的输入端通过第三信号线7-7与扭矩传感器4的反馈端连接。

如图1，采用本发明所提供的一种惯性负载模拟装置进行伺服电机动态加载的工作原理：被测电机驱动器13输出的电机启动信号通过第一信号线15传输给待测电机1，带动待测电机1启动，待测电机1启动后其输出轴转动，待测电机1的输出轴带动第一轴联轴器3转动，第一轴联轴器3的转动带动扭矩传感器4的转轴运动，进而带动第二联轴器7转动，第二联轴器7的转动带动电滑 环8的转子转动，进而带动加载电机10的转轴转动。在该装置中，第一联轴器3、扭矩传感器4、第二联轴器7(含内置的贴片加速度传感器6)、电滑环8、加载电机10的转动惯量接近负载的转动惯量。控制柜中通过上位机设置惯性负载参数中的转动惯量，进行惯量补偿，使模拟的转动惯量与负载的转动惯量完全一致。同时，贴片微型加速度传感器6进行被测电机加速度测量，控制柜根据惯量和加速度，即可获得施加到被测电机上的惯性负载，该惯性负载作为被测电机的一种负载形式，与弹性负载、摩擦负载共同作为被测电机的实际负载，与扭矩传感器4的转矩反馈进行比较，形成转矩闭环。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。