一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法与流程

本发明属于机电装置领域，具体涉及一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法。

背景技术：

扭转弹簧装置是一种一端固定而另一端作用有扭矩的装置，在扭矩作用下装置会产生变形发生扭转。扭转弹簧装置常采涡卷弹簧、扭杆弹簧等形式。利用螺旋特性或材料特性，当收到外界力矩时产生变形。扭转弹簧根据使用扭矩和刚度需求，通过材料选择、尺寸设计、圈数选择等多方面的综合考虑，设计出具有期望扭转刚度的弹簧，通过制造加工后，经过试验测试得到真实的扭转刚度，并进行迭代设计，得到期望的扭转刚度。

随着需求的增加，扭转弹簧应用越来越多，扭转弹簧的刚度特性对机电系统的影响也开始被人关注。为了研究不同刚度特性的扭簧在机电系统中的响应情况，可以通过选用不同的扭转弹簧进行试验分析。对于某些机电系统，人们又希望能有一种扭矩与转角满足一定曲线关系的扭簧，以满足特定的设计要求。而目前传统的扭转弹簧多采用制造工艺，其加工容易受到材料、设备的影响，很难制造出满足设计需求的扭转弹簧，且设计成本较高、设计周期长；对于有特殊扭转刚度需求的装置很难设计或者根本无法实现，无法满足特定应用场合的要求；单一弹簧对应特定扭转刚度，无法适应不同的应用场合。

随着电子电力技术的进步，电机伺服控制技术也有了快速发展。力矩电机因其转速低、力矩大、运行平稳等特点得到了广泛应用。配置的位置传感器具有很高精度，可以满足位置采集精度的需求。其控制方法简单，可针对力矩(电流)、速度、位置进行控制，并可以根据使用需求，通过软件修改实现对相应曲线的跟踪。利用力矩电机的力矩控制特点，通过设计力矩电机转角和输出力矩的对应关系，可以实现扭转刚度的模拟，这为模拟扭转弹簧提供了新的解决思路。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法，能够根据扭转刚度的需求，实现对具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的模拟。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；

伺服电机的输出轴和外部的负载固连；

角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；

转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；

控制器利用所述相对转角根据设定的转矩-转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。

进一步地，所述装置还包括旋转机构，所述旋转机构与伺服电机的定子固连。

一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，伺服电机通过角度传感器检测电机转子与定子之间的相对转角；

步骤二，在控制器中设定拟模拟的扭转刚度曲线，即转矩-转角关系曲线，根据所述相对转角，得出伺服电机应输出的期望转矩；

步骤三，转矩传感器采集伺服电机输出轴的输出转矩；

步骤四，控制器控制伺服电机的电流，使输出转矩与期望转矩一致。

有益效果：

本发明装置能够实现对不同刚度曲线的模拟；相比于扭转弹簧、扭杆弹簧等方式，该装置结构紧凑、使用灵活。

附图说明

图1基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置

图2基于转矩控制的扭转弹簧模拟控制流程

其中，100-伺服电机，101-伺服电机的转子，102-伺服电机的定子，103-伺服电机的输出轴，104-角度传感器，200-控制器，300-转矩传感器，301-刚性联轴器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，通过角度传感器检测伺服电机转子和定子之间的相对转角，按照给定的扭矩-转角关系确定电机的期望输出扭矩，通过转矩传感器测量伺服电机的实际输出扭矩，通过力闭环控制实现对扭矩的跟踪，达到与扭转弹簧扭转刚度一致的效果，从而实现对扭转弹簧的模拟。

如图1所示本发明装置包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；

伺服电机的输出轴103通过刚性联轴器301和外部的负载固连，伺服电机的输出轴103与伺服电机的转子101刚性连接。

角度传感器104检测伺服电机的定子102和转子101的相对转角，并将该相对转角发送给控制器200。

转矩传感器300安装在伺服电机的输出轴103上，检测伺服电机100的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器200；

控制器200利用所述相对转角根据设定的转矩-转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。

上述方案中伺服电机定子102固定，此时负载转矩的变化会引起伺服电机的转子101与定子102的相对转角变化，从而使伺服电机100输出与预先设定的扭转刚度对应的转矩，模拟出负载在设置扭转刚度下的固有特性。

所述装置还包括旋转机构，所述旋转机构与伺服电机的定子102固连。伺服电机的定子102与旋转机构连接，此时伺服电机的定子102随旋转机构转动，引起伺服电机的转子101与定子102的相对转角变化，通过角度传感器104获得转子101与定子102的相对角度并传递至控制器200，控制器200根据预先设置的扭转刚度曲线计算伺服电机100应输出的期望转矩，同时采集转矩传感器300测量的电机实际输出转矩，与期望转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机100的电流使电机实际输出转矩与期望转矩一致，从而模拟出旋转机构与负载之间的扭矩刚度特性；

本发明方法可对不同扭转刚度曲线的扭转弹簧进行模拟，为工程应用提供具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的解决方法。如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，伺服电机通过角度传感器检测电机转子与定子之间的相对转角；

步骤二，在控制器中设定拟模拟的扭转刚度曲线，即转矩-转角关系曲线，根据所述相对转角，得出伺服电机应输出的期望转矩；

步骤三，转矩传感器采集伺服电机输出轴的输出转矩；

步骤四，控制器控制伺服电机的电流，使输出转矩与期望转矩一致。

完成步骤四后，再返回步骤一，如此循环。在上述循环过程中，可实现对扭转弹簧的模拟。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴和外部的负载固连；角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；控制器利用所述相对转角根据设定的转矩‑转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致，本发明能够根据扭转刚度的需求，实现对具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的模拟。

技术研发人员：刘鑫;张沛;华耿湃;彭柯沁;危清清;陈磊
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2018.07.25
技术公布日：2019.01.11