专利名称：直线电机机械特性测试系统及方法
技术领域：
本发明用于对直线电机机械特性分析的测试系统及方法，属于直线电机性能检测技术领、域。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，把电能转换为弹'性体的机械振动能，并依靠摩 擦力来驱动的新型电机。作为一种全新的能量转换器件，它具有低速大转矩、体积小、重量 轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自锁、设计自由度大等优 点，在航空航天、医疗器械、精密仪器、精加工等领域有广阔的应用前。超声电机的发展仅 仅有二十多年的历史。早期的研究重点集中在新结构样机的开发和其运行机理的研究。随着 超声电机研究的深入和走向市场化，目前，人们关注超声电机运行的稳定性和可控制性。超 声电机的控制技术是实现超声电机稳定运行和有效控制的关键技术之一。而对其运行特性的 检测是实现其有效控制(运行特性控制和精确定位控制)的前提。开发超声电机机械特性测 试系统，有助于超声电机动态性能参数测试、定位控制和控制策略的研究。文献l (杨树国， 石忠东，穆欣。直线电机测试系统开发及性能分析。微特电机，2007， 6: 19-21)开发了永
磁交流同步直线电机测试系统。该系统的主要特征为通过伺服旋转电机带动丝杠螺母推动
导轨对直线运动施加负载，因此导轨的运行速度取决于伺服旋转电机的旋转速度。在测试中 为了实现对电机施加负载，丝杠导轨的运动方向与电机的运动趋势向反，由于直线电机初级 与丝杠之间直接通过压力传感器连接，所以电机初级的实际运动是同丝杠导轨一样的，测试 系统不能测试直线电机的运行速度，仅仅能测试与电机运动方向相反的丝杠导轨运行速度。 该系统的测试方式确定它不能同时测定电机的输出力和运行速度，更不能用来分析电机的启、 停特性。超声电机响应速度快，其机械特性受外界负载影响大，所上述测试系统不能测试直 线超声电机输出力和速度的关系特性及其机械特性。目前尚无关于超声电机机械特性测试系 统的报道，因此需要开发能够测试直线超声电机机械特性的测试系统。
发明内容
本发明的目的在于研制一种用于测试直线电机机械特性的测试系统。 一种用于测试直线电机机械特性的测试系统，包括压力传感器和光栅尺，其中标尺光栅 被固定在位移尺上，随滑动轴运动。电机启动后动子推动滑动轴在导轨上运动，导轨使弹簧 产生变形，并对压力传感器施加压力，并由数据采集平台采集压力信号；在滑动轴运动的过 程中光栅线传感器输出位移脉冲，并由数据处理器同步采集位移信号。所采集的信号经过数 据处理器处理后，得到直线电机速度一输出力关系曲线及其相关的机械特性。
上述结构保证(1)同歩采集直线电机在启动、运行、停止时刻的推力和位移的大小； (2)并由PC机实时处理采集到的数据，实时显示直线电机的输出力-位移的特性曲线；(3) 该直线电机机械特性测试系统结构简单、高效采集直线电机的输出力和位移量，直接有效地 反映直线电机的推力-速度的特性关系及其输出特性。
本发明的基本特征在于直线电机动子与压力传感器之间通过弹簧连接，使得直线电机 动子的运行不受阻碍，通过直线超声电机自身直接推动滑动导轨运动，因此导轨的运行速度 为电机的速度；同时，随着导轨的运动，弹簧被压縮，此时弹簧的张力增加，电机所受的负 载同歩增加。
电机的启、停特性表现为电机开机(或关机)后到速度稳定(停止)这段时间内的时间 一速度特性。压力传感器、弹簧、导轨和电机动子的连接方式保证电机的启、停不受阻碍， 以实现启、停特性的测量。
图1是数据采集平台的结构示意图。
图2是直线电机机械特性测试系统的原理图。
图3为用于测试的K型直线超声电机。
图中的标号名称l压力传感器；2光栅槽；3质量块；4位移尺；5滑动轴；6底座；7 固定槽；8导轨9弹簧10直线电机；ll位移尺；12光栅读数头；13数据采集卡；14电 脑；21.夹持件；31.压电陶瓷片；41.前端；42.驱动足;51电极片；61.后端；71.滑条。
具体实施例方式
一种用于测试直线电机输出力与速度的测试平台如图l所示。其特点在于所述的平台
的测试器件主要有压力传感器和光栅线位移传感器。将直线电机安装在固定槽上，保持直线
电机的动子与轴及质量块在同一直线上；将适当长度的光栅标尺贴于位移尺上，以便于安装 在光栅槽上的读数头能在电机整个启动停止过程中采集光栅的脉冲计数；电机启动前，将质量块靠近直线电机的动子，保持两者接触且无其他外力作用于两者。启动直线电机后，直线 电机的动子推动质量块和滑动轴压缩传感器前端的弹簧，弹簧产生压縮形变，此时动子的动 能转换成弹簧的弹性势能，由于力的作用性与反作用性，动子的推力通过弹簧作用在压力传 感器上。位移尺与质量块一起向前运动的过程中，贴在位移尺上的标尺光栅与安装在光栅槽 上的光栅读数头中的指示光栅产生相对位移，光栅读书头输出位移脉冲，通过数据卡同步实 时釆集位移脉冲信号和压力传感器的电压值。
直线电机测试系统原理如图2所示。通过采集压力与位移两路信号，并将二者在PC机上
逬行处理，根据公式v-^将位移量转换为速度量，实现直线电机输出力-速度的特性曲线图
的绘制。
通过同步直线电机输入端的输入电压和电流信号以及输出端的采集压力与位移两路信 号，并将在PC机上进行处理，就能够实现直线电机输出力-功率的特性曲线图的绘制，以及 输出力-效率的特性曲线图的绘制。
系统所记载的电机启动后的一段时间内的时间一速度特性能够被用来分析电机的启动特 性，而系统所记载的电机关机后到停机这段时间内的时间一速度特性能够被用来分析电机的 关停特性。
下面是一个用于K型直线超声电机测试的例子。
该K型直线超声电机定子是由两个兰杰文振子中心线互相垂直构成K字形，该电机的动 子是一滑条，采用两个相位差为;r/2的正弦信号同时激励定子的两个压电振子，激发定子两 个同频相位差;r/2的振动模态，使定子上驱动足质点做椭圆运动。
将该K型直线超声电机固定在直线电机测试系统的固定槽上，动子与质量块相接触，并 保持电机的动子与测试系统的质量块和滑动轴处于同一轴线上，且无外力作用于动子与质量 块之间。在相位差;r/2的两项正弦激励信号作用下，直线电机的滑轨做直线运动，并推动质 量块和滑动轴在导轨上运动，并压缩弹簧，由于力的作用性与反作用性，压力传感器输出压 力信号，位移尺与质量块一同运动，光栅读书头输出光栅脉冲信号，数据采集卡同时采集两 路压力和位移信号，输入PC机进行处理，输出K型直线电机的输出力-速度的特性曲线；在 电机运行时，PC机同步采集电机的输入端的电流和电压信号，经过数据处理后，并能够给出 电机的输出力-功率的特性曲线以及输出力-效率的特性曲线；也能用于分析电机的启、停特 性。
权利要求
1、一种用于测试直线电机机械特性的测试系统，其特征在于包括数据采集平台和数据处理器两部分组成，其中数据采集平台包括与直线电机输出端相联系的压力传感器和位移传感器以及数据采集卡，其中数据采集卡与上述压力传感器相联用于采集压力信号，还与上述位移传感器相联用于同步采集位移信号。
2、 根据权利要求l所述用于测试直线电机机械特性的测试系统，其特征在于所述的数 据采集平台具体结构如下.包括底座(6)、安装于底座上的导轨(8)、通过导轨上的滑动轴(5)安装质量块(3);位移尺(4)与质量块固定连接的可随其一起滑动，位移尺上贴有标尺光栅，所述位移尺、 标尺光栅以及安装于底座上的光栅读数头构成了位移传感器；远离质量块一端的底座上支架上安装有压力传感器(1)，所述压力传感器通过弹簧组件 与所述质量块联系以检测压力信息。
3、 根据权利要求l所述用于测试直线电机机械特性的测试系统，其特征在于所述靠近 质量块一端的底座上设有直线电机固定槽。
4、 一种用于测试直线电机机械特性的测试方法，其特征在于 同步采集直线电机输出的压力信号及位移信号；所采集的信号经过数据处理器处理后，得到直线电机速度一输出力关系曲线及其相关的 输出特性。
5、 根据权利要求4所述的用于测试直线电机机械特性的测试方法，其特征在于 所述的同步采集直线电机输出的压力信号及位移信号是依靠以下具体方式实现的利用运动的直线电机动子推动质量块并压縮弹簧产生形变，从而对压力传感器施加压力；利用运动的直线电机动子推动质量块并带动位移尺上贴有的标尺光栅移动，并利用光栅读数 头读数，由光栅编码器输出位移脉冲。
6、 一种用于测试直线电机机械特性的测试方法，其特征在于同步采集直线电机输入端的电压和电流信号以及输出的压力信号和位移信号；所采集的信号经过数据处理器处理后，得到直线电机输出力一功率关系曲线及其相关的输出特性，以及输出力一效率关系曲线及其相关的输出特性。
7、 一种用于测试直线电机机械特性的测试方法，其特征在于同步采集直线电机输入端的电压和电流信号以及输出的压力信号和位移信号；所采集的信号经过数据处理器处理后，得到直线电机输启、停特性。
全文摘要
一种用于测试直线电机机械特性的测试系统及方法，属于直线电机性机械能检测技术领域。该系统包括数据采集平台和数据处理器两部分组成，其中数据采集平台包括与直线电机输出端相联系的压力传感器和位移传感器以及数据采集卡，其中数据采集卡与上述压力传感器相联用于采集压力信号，还与上述位移传感器相联用于同步采集位移信号。所采集的信号经过数据处理器处理后，得到直线电机速度-输出力关系曲线及其相关的输出特性。该系统结构简单、高效采集直线电机的输出力和位移量，直接有效地反映直线电机的推力-速度的特性关系及其输出特性。
文档编号G01L3/24GK101509815SQ20081024292
公开日2009年8月19日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者辛 吴, 姚志远, 东 杨 申请人:南京航空航天大学