电机力矩测量系统的制作方法
【专利摘要】根据本实用新型的一种电机力矩测量系统，包括依次串联的电源、调制电路、直流电机、电流电压转换器、AD转换器和锁相放大器，以及电压信号发生器和DA转换器，其中电压信号发生器包含分别连接至DA转换器和至锁相放大器的第一输出端和第二输出端；锁相放大器包含第一输入端和第二输入端，分别用于接收来自AD转换器的电压信号和来自电压信号发生器的经倍频的参考信号。本实用新型所提供的电机力矩测量系统基于锁相放大原理，能够获得更精确的实时力矩测量值，并显著地降低测量成本。
【专利说明】
电机力矩测量系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及电机力矩测量领域，特别涉及一种基于锁相放大器的电机力矩测量系统。
【背景技术】
[0002]在传统的工业机器人应用领域，对机器人各关节的驱动电机的控制大多只局限于对位置的精确控制，而随着机器人应用领域日益拓宽、使用日渐普遍，在机器人操作过程中对于力、力矩的实时控制需求逐渐提升。常见的点电机力矩的测量方法主要还是基于力矩对于传感器产生机械结构变化的原理进行测量，测量精度差，量程小，易受到温度、湿度等环境影响以及电学干扰。并且每个传感器自身还存在物理体积较大，价格高的特点。
【实用新型内容】
[0003]为了克服现有技术中所存在的缺陷，本实用新型基于锁相放大器能够精确检测信噪比极低的微弱信号的特点，提供一种高精度、低成本的电机力矩测量系统，以基于锁相放大原理对电机工作时的电流信号进行解析运算，从而提取出与电机力矩相关的电学弱信号分量，最终测量出电机实时的输出力矩大小。
[0004]根据本实用新型的一种电机力矩测量系统，包括依次串联的电源、调制电路、直流电机、电流电压转换器、AD转换器和锁相放大器，以及电压信号发生器和DA转换器，其中
[0005]电压信号发生器包含第一输出端和第二输出端，第一输出端通过DA转换器连接至调制电路，以便为调制电路提供电压信号，第二输出端连接至锁相放大器，以便为锁相放大器提供经倍频的参考电压信号
[0006]锁相放大器包含第一输入端和第二输入端，分别用于接收来自AD转换器的电压信号和来自电压信号发生器的经倍频的参考电压信号。
[0007]进一步地，经倍频的参考电压信号为二倍频参考电压信号。
[0008]进一步地，电压信号发生器和锁相放大器分别为集成于控制电路中的DDS信号发生模块和数字锁相放大模块。
[0009]进一步地，电机力矩测量系统还包含显示装置，显示装置用于显示计算出的电机力矩值。
[0010]根据本实用新型的一种基于锁相放大器的电机力矩测量方法，包含以下步骤:
[0011]步骤一:电压信号发生器的第一输出端通过DA转换器向调制电路输出第一电压信号，以对从电源输入电机的电压进行调制，生成经调制的第二电压信号，同时电压信号发生器的第二输出端向锁相放大器的第二输入端输出经倍频的参考电压信号；
[0012]步骤二:经调制的第二电压信号依次经过直流电机和电流电压转换器，生成第三电压信号；
[0013]步骤三:通过AD转换器向锁相放大器的第一输入端提供第三电压信号的谐波，其中所述第三电压信号为携带电机力矩信息的电压信；
[0014]步骤四:锁相放大器依据第三电压信号的谐波和经倍频的参考电压信号提取电机实时电流Ia;
[0015]步骤五:通过电机实时电流计算并显示电机的实时力矩值Ti。
[0016]进一步地，谐波为第三电压信号的二次谐波，并且经倍频的参考电压信号为二倍频电压信号。
[0017]进一步地，步骤二具体包括:第二电压信号经电机转换为电流信号，随后电流信号经电流电压转换器转换为第三电压信号。
[0018]进一步地，步骤五包括依据以下公式计算电机的实时力矩值:
[0019]Ti = CtO Ia-To
[0020]其中，Τι是电机输出的力矩;Ct是电机常数；Φ是电机磁通；Ia是电机实时电流;To是电机空载扭矩。
[0021]由于采用于上技术方案，本实用新型与现有技术相比具有如下优点:
[0022]1.本实用新型直接针对通电回路进行测量，省略了传感器等繁琐的机械结构，既降低了整体成本又提高了测量精度；
[0023]2.依据本实用新型的电机力矩测量系统不受外部环境的影响，对电信号的抗干扰能力强；
[0024]3.可以将电压信号发生器和锁相放大器集成于机器人原有的运动控制器电路中，有效节约了成本；
[0025]4.能够针对机器人每个关节的电机扭矩进行实时监测。
【附图说明】
[0026]图1为依据本实用新型的电机扭矩测量系统的示意图；
[0027]图2为依据本实用新型的电机扭矩测量方法的流程图。
[0028]附图标记说明:
[0029 ] I电源，2调制电路，3直流电机，4电流电压转换器，5AD转换器，6锁相放大器，7电信号发生器，8DA转换器，9控制电路。
【具体实施方式】
[0030]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0031]图1为依据本实用新型的电机扭矩测量系统的示意图。电机扭矩测量系统(以下简称系统)总体包含电源1、调制电路2、直流电机3、电流电压转换器4、AD转换器5、锁相放大器6，电压信号发生器7和DA转换器8。如图1所示，电源1、调制电路2、直流电机3、电流电压转换器4、AD转换器5与锁相放大器6依次串联。其中电源I用于为直流电机3的正常运行提供电會K。
[0032]电压信号发生器7包含第一输出端71和第二输出端72，第一输出端71通过DA转换器8连接至调制电路2，以便为调制电路2提供电压信号，第二输出端72连接至锁相放大器6，以便为锁相放大器6提供经倍频的参考电压信号。相应的，锁相放大器6也包含第一输入端61和第二输入端62，分别用于接收来自AD转换器5的电压信号和来自电压信号发生器7的经倍频的参考信号。由于来自AD转换器5的电压信号曾经过直流电机3，因此在其谐波中包含与直流电机3的力矩相关的电压信号成分，因此将该电压信号与参考信号在锁相放大器6中进行比较运算便可以准确地提取出直流电机3的实时电流，从而根据电流与电机输出力矩的关系计算出直流电机3的实时力矩。在本实用新型的优选实施例中，由AD转换器5从第一输入端61进入锁相放大器6的是电压信号的二次谐波，相应的，由电压信号发生器7从第二输入端62进入锁相放大器6的经倍频的参考电压信号为二倍频电压信号。
[0033]在实际生产中，电压信号发生器7和锁相放大器6可以分别作为DDS信号发生模块和数字锁相放大模块集成于机器人现有的运动控制电路9中，有效地节约了现有机器人的改造成本，并且无需占用更多的改造空间。
[0034]优选地，系统还可以包括与锁相放大器6连接的显示装置(未示出)，以便实时显示计算出的电机力矩值。该显示装置可以是本领域内常用的操作参数显示装置，或者是现有的操作参数显示装置上特定的显示区域。
[0035]图2示出了依据前述系统的一种电机力矩测量方法。如图所示，在框101中，直流电机3凭借电源I提供的电能正常运行时，电压信号发生器7的第一输出端71输出第一电压信号，该第一电压信号经DA转换器(数模转换器)从数字信号转换为模拟信号后作为调制电路2的输入信号。从电源I输入直流电机3的电压通过第一信号和调制电路2后生成第二电压信号。与此同时，在框102中，电压信号发生器7的第二输出端72向锁相放大器6的第二输入端62输出二倍频电压信号作为参考电压信号。
[0036]在框200中，经调制的第二电压信号依次经过直流电机3和电流电压转换器4，生成第三电压信号。更具体地，第二电压信号在经过直流电机3时转换为电流信号，该电流信号中携带有与电机力矩相关的信息。电流信号经电流电压转换器4后进一步生成携带力矩信息的第三电压信号。
[0037]在框300中，第三电压信号经AD转换器(模数转换器)后由模拟信号转为数字信号，随后向锁相放大器6的第一输入端61提供第三电压信号的二次谐波。
[0038]在框400中，锁相放大器6依据第三电压信号的二次谐波和二倍频的参考电压信号提取电机实时电流Ia。更具体地，由于实时电流Ia是第三电压信号的二次谐波分量幅值的函数，因此，计算电流Ia的关键就在于获得二次谐波幅值。
[0039]在本实用新型的实施例中，依据锁相放大原理，假设待测信号，即第三电压信号的二次谐波为:
[0040]y = Bsin(2cot+<i)+9)+N(t) (I)
[0041 ] 二倍频的参考电压信号为:
[0042]y=Asin(2 ω t+ Φ ) (2)
[0043]其中，y= Bsin(2 ω t+ Φ +θ)是待测彳目号的有用?目号;N(t)是噪声彳目号；Θ是待测f目号和参考信号的相位差。
[0044]将待测信号与参考信号相乘得到:
[0045]y = -( l/2)AB[cos0+cos(4 ω t+2 Φ +θ) ]+Asin(2 ω?+Φ )N(t) (3)
[0046]其中，-(l/2)ABcOS0是直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；-(I/2)ΑΒ(Χ)8(4οη+2Φ+θ)为待测信号的二倍频信号；和待测信号同时进入乘法器的噪声信号也要和参考信号相乘，结果Asin(2cot+(i))N(t)几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做的很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即，-(l/2)ABcOS0。只要两个信号的相位差Θ是己知的，则COS0恒定。由于参考信号的幅值A是确定的，尽管待测幅值B很小，常常被周围的噪声淹没，也可以很容易得到待测信号的幅值B。
[0047]在框500中，通过电机实时电流Ia计算电机的实时力矩值!^，随后可以通过显示装置来显示该实时力矩值!^。本领域技术人员应当了解的是，电机运行产生的总力矩T一一即电机输出力矩1^与电机空载扭矩To之和一一与通过电机的电流呈正比，因此，可以依据下述公式来计算电机的实时力矩值T1:
[0048]Ti = CxOIa-To (4)
[0049]其中，T1是电机输出的力矩;Ct是电机常数；Φ是电机磁通，通常为常数；Ia是电机实时电流;To是电机空载扭矩。
[0050]作为力矩测量的一种新的实现方法，基于锁相放大原理对电机工作时的电流信号进行解析运算，从而提取出与电机力矩相关的电学弱信号分量，最终测量出电机实时的输出力矩大小，使得电机力矩测量结果更加精确，测量成本更低。
[0051]以上实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种电机力矩测量系统，其特征在于，包括依次串联的电源、调制电路、直流电机、电流电压转换器、AD转换器和锁相放大器，以及电压信号发生器和DA转换器，其中 所述电压信号发生器包含第一输出端和第二输出端，所述第一输出端通过所述DA转换器连接至所述调制电路，以便为所述调制电路提供电压信号，所述第二输出端连接至所述锁相放大器，以便为所述锁相放大器提供经倍频的参考电压信号； 所述锁相放大器包含第一输入端和第二输入端，分别用于接收来自所述AD转换器的电压信号和来自所述电压信号发生器的所述经倍频的参考电压信号。2.根据权利要求1所述的电机力矩测量系统，其特征在于，所述经倍频的参考电压信号为二倍频参考电压信号。3.根据权利要求1所述的电机力矩测量系统，其特征在于，所述电压信号发生器和所述锁相放大器分别为集成于控制电路中的DDS信号发生模块和数字锁相放大模块。4.根据权利要求1所述的电机力矩测量系统，其特征在于，所述电机力矩测量系统还包含显示装置，所述显示装置用于显示计算出的电机力矩值。
【文档编号】G01L3/00GK205483349SQ201620296458
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】徐弈辰, 鲁湛, 张江辉, 李红斌, 周晓蓉
【申请人】苏州健雄职业技术学院