電機力矩測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本實用新型的一種電機力矩測量系統(tǒng),包括依次串聯(lián)的電源、調(diào)制電路、直流電機、電流電壓轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器和鎖相放大器,以及電壓信號發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器,其中電壓信號發(fā)生器包含分別連接至DA轉(zhuǎn)換器和至鎖相放大器的第一輸出端和第二輸出端;鎖相放大器包含第一輸入端和第二輸入端,分別用于接收來自AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號和來自電壓信號發(fā)生器的經(jīng)倍頻的參考信號。本實用新型所提供的電機力矩測量系統(tǒng)基于鎖相放大原理,能夠獲得更精確的實時力矩測量值,并顯著地降低測量成本。
【專利說明】
電機力矩測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及電機力矩測量領(lǐng)域,特別涉及一種基于鎖相放大器的電機力矩測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域,對機器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機的控制大多只局限于對位置的精確控制,而隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬、使用日漸普遍,在機器人操作過程中對于力、力矩的實時控制需求逐漸提升。常見的點電機力矩的測量方法主要還是基于力矩對于傳感器產(chǎn)生機械結(jié)構(gòu)變化的原理進(jìn)行測量,測量精度差,量程小,易受到溫度、濕度等環(huán)境影響以及電學(xué)干擾。并且每個傳感器自身還存在物理體積較大,價格高的特點。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷,本實用新型基于鎖相放大器能夠精確檢測信噪比極低的微弱信號的特點,提供一種高精度、低成本的電機力矩測量系統(tǒng),以基于鎖相放大原理對電機工作時的電流信號進(jìn)行解析運算,從而提取出與電機力矩相關(guān)的電學(xué)弱信號分量,最終測量出電機實時的輸出力矩大小。
[0004]根據(jù)本實用新型的一種電機力矩測量系統(tǒng),包括依次串聯(lián)的電源、調(diào)制電路、直流電機、電流電壓轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器和鎖相放大器,以及電壓信號發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器,其中
[0005]電壓信號發(fā)生器包含第一輸出端和第二輸出端,第一輸出端通過DA轉(zhuǎn)換器連接至調(diào)制電路,以便為調(diào)制電路提供電壓信號,第二輸出端連接至鎖相放大器,以便為鎖相放大器提供經(jīng)倍頻的參考電壓信號
[0006]鎖相放大器包含第一輸入端和第二輸入端,分別用于接收來自AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號和來自電壓信號發(fā)生器的經(jīng)倍頻的參考電壓信號。
[0007]進(jìn)一步地,經(jīng)倍頻的參考電壓信號為二倍頻參考電壓信號。
[0008]進(jìn)一步地,電壓信號發(fā)生器和鎖相放大器分別為集成于控制電路中的DDS信號發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相放大模塊。
[0009]進(jìn)一步地,電機力矩測量系統(tǒng)還包含顯示裝置,顯示裝置用于顯示計算出的電機力矩值。
[0010]根據(jù)本實用新型的一種基于鎖相放大器的電機力矩測量方法,包含以下步驟:
[0011]步驟一:電壓信號發(fā)生器的第一輸出端通過DA轉(zhuǎn)換器向調(diào)制電路輸出第一電壓信號,以對從電源輸入電機的電壓進(jìn)行調(diào)制,生成經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號,同時電壓信號發(fā)生器的第二輸出端向鎖相放大器的第二輸入端輸出經(jīng)倍頻的參考電壓信號;
[0012]步驟二:經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號依次經(jīng)過直流電機和電流電壓轉(zhuǎn)換器,生成第三電壓信號;
[0013]步驟三:通過AD轉(zhuǎn)換器向鎖相放大器的第一輸入端提供第三電壓信號的諧波,其中所述第三電壓信號為攜帶電機力矩信息的電壓信;
[0014]步驟四:鎖相放大器依據(jù)第三電壓信號的諧波和經(jīng)倍頻的參考電壓信號提取電機實時電流Ia;
[0015]步驟五:通過電機實時電流計算并顯示電機的實時力矩值Ti。
[0016]進(jìn)一步地,諧波為第三電壓信號的二次諧波,并且經(jīng)倍頻的參考電壓信號為二倍頻電壓信號。
[0017]進(jìn)一步地,步驟二具體包括:第二電壓信號經(jīng)電機轉(zhuǎn)換為電流信號,隨后電流信號經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為第三電壓信號。
[0018]進(jìn)一步地,步驟五包括依據(jù)以下公式計算電機的實時力矩值:
[0019]Ti = CtO Ia-To
[0020]其中,Τι是電機輸出的力矩;Ct是電機常數(shù);Φ是電機磁通;Ia是電機實時電流;To是電機空載扭矩。
[0021]由于采用于上技術(shù)方案,本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0022]1.本實用新型直接針對通電回路進(jìn)行測量,省略了傳感器等繁瑣的機械結(jié)構(gòu),既降低了整體成本又提高了測量精度;
[0023]2.依據(jù)本實用新型的電機力矩測量系統(tǒng)不受外部環(huán)境的影響,對電信號的抗干擾能力強;
[0024]3.可以將電壓信號發(fā)生器和鎖相放大器集成于機器人原有的運動控制器電路中,有效節(jié)約了成本;
[0025]4.能夠針對機器人每個關(guān)節(jié)的電機扭矩進(jìn)行實時監(jiān)測。
【附圖說明】
[0026]圖1為依據(jù)本實用新型的電機扭矩測量系統(tǒng)的示意圖;
[0027]圖2為依據(jù)本實用新型的電機扭矩測量方法的流程圖。
[0028]附圖標(biāo)記說明:
[0029 ] I電源,2調(diào)制電路,3直流電機,4電流電壓轉(zhuǎn)換器,5AD轉(zhuǎn)換器,6鎖相放大器,7電信號發(fā)生器,8DA轉(zhuǎn)換器,9控制電路。
【具體實施方式】
[0030]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,下面結(jié)合實施例,對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅用于解釋本實用新型,并不用于限定本實用新型。
[0031]圖1為依據(jù)本實用新型的電機扭矩測量系統(tǒng)的示意圖。電機扭矩測量系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))總體包含電源1、調(diào)制電路2、直流電機3、電流電壓轉(zhuǎn)換器4、AD轉(zhuǎn)換器5、鎖相放大器6,電壓信號發(fā)生器7和DA轉(zhuǎn)換器8。如圖1所示,電源1、調(diào)制電路2、直流電機3、電流電壓轉(zhuǎn)換器4、AD轉(zhuǎn)換器5與鎖相放大器6依次串聯(lián)。其中電源I用于為直流電機3的正常運行提供電會K。
[0032]電壓信號發(fā)生器7包含第一輸出端71和第二輸出端72,第一輸出端71通過DA轉(zhuǎn)換器8連接至調(diào)制電路2,以便為調(diào)制電路2提供電壓信號,第二輸出端72連接至鎖相放大器6,以便為鎖相放大器6提供經(jīng)倍頻的參考電壓信號。相應(yīng)的,鎖相放大器6也包含第一輸入端61和第二輸入端62,分別用于接收來自AD轉(zhuǎn)換器5的電壓信號和來自電壓信號發(fā)生器7的經(jīng)倍頻的參考信號。由于來自AD轉(zhuǎn)換器5的電壓信號曾經(jīng)過直流電機3,因此在其諧波中包含與直流電機3的力矩相關(guān)的電壓信號成分,因此將該電壓信號與參考信號在鎖相放大器6中進(jìn)行比較運算便可以準(zhǔn)確地提取出直流電機3的實時電流,從而根據(jù)電流與電機輸出力矩的關(guān)系計算出直流電機3的實時力矩。在本實用新型的優(yōu)選實施例中,由AD轉(zhuǎn)換器5從第一輸入端61進(jìn)入鎖相放大器6的是電壓信號的二次諧波,相應(yīng)的,由電壓信號發(fā)生器7從第二輸入端62進(jìn)入鎖相放大器6的經(jīng)倍頻的參考電壓信號為二倍頻電壓信號。
[0033]在實際生產(chǎn)中,電壓信號發(fā)生器7和鎖相放大器6可以分別作為DDS信號發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相放大模塊集成于機器人現(xiàn)有的運動控制電路9中,有效地節(jié)約了現(xiàn)有機器人的改造成本,并且無需占用更多的改造空間。
[0034]優(yōu)選地,系統(tǒng)還可以包括與鎖相放大器6連接的顯示裝置(未示出),以便實時顯示計算出的電機力矩值。該顯示裝置可以是本領(lǐng)域內(nèi)常用的操作參數(shù)顯示裝置,或者是現(xiàn)有的操作參數(shù)顯示裝置上特定的顯示區(qū)域。
[0035]圖2示出了依據(jù)前述系統(tǒng)的一種電機力矩測量方法。如圖所示,在框101中,直流電機3憑借電源I提供的電能正常運行時,電壓信號發(fā)生器7的第一輸出端71輸出第一電壓信號,該第一電壓信號經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后作為調(diào)制電路2的輸入信號。從電源I輸入直流電機3的電壓通過第一信號和調(diào)制電路2后生成第二電壓信號。與此同時,在框102中,電壓信號發(fā)生器7的第二輸出端72向鎖相放大器6的第二輸入端62輸出二倍頻電壓信號作為參考電壓信號。
[0036]在框200中,經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號依次經(jīng)過直流電機3和電流電壓轉(zhuǎn)換器4,生成第三電壓信號。更具體地,第二電壓信號在經(jīng)過直流電機3時轉(zhuǎn)換為電流信號,該電流信號中攜帶有與電機力矩相關(guān)的信息。電流信號經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器4后進(jìn)一步生成攜帶力矩信息的第三電壓信號。
[0037]在框300中,第三電壓信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)后由模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號,隨后向鎖相放大器6的第一輸入端61提供第三電壓信號的二次諧波。
[0038]在框400中,鎖相放大器6依據(jù)第三電壓信號的二次諧波和二倍頻的參考電壓信號提取電機實時電流Ia。更具體地,由于實時電流Ia是第三電壓信號的二次諧波分量幅值的函數(shù),因此,計算電流Ia的關(guān)鍵就在于獲得二次諧波幅值。
[0039]在本實用新型的實施例中,依據(jù)鎖相放大原理,假設(shè)待測信號,即第三電壓信號的二次諧波為:
[0040]y = Bsin(2cot+<i)+9)+N(t) (I)
[0041 ] 二倍頻的參考電壓信號為:
[0042]y=Asin(2 ω t+ Φ ) (2)
[0043]其中,y= Bsin(2 ω t+ Φ +θ)是待測彳目號的有用?目號;N(t)是噪聲彳目號;Θ是待測f目號和參考信號的相位差。
[0044]將待測信號與參考信號相乘得到:
[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,大小與兩信號幅值及相位差的余弦成正比;-(I/2)ΑΒ(Χ)8(4οη+2Φ+θ)為待測信號的二倍頻信號;和待測信號同時進(jìn)入乘法器的噪聲信號也要和參考信號相乘,結(jié)果Asin(2cot+(i))N(t)幾乎都是交流信號。低通濾波器的通帶可以做的很窄,經(jīng)過低通濾波器,待測信號的二倍頻信號和噪聲與參考信號相乘的結(jié)果都被濾掉,僅剩下直流信號,即,-(l/2)ABcOS0。只要兩個信號的相位差Θ是己知的,則COS0恒定。由于參考信號的幅值A(chǔ)是確定的,盡管待測幅值B很小,常常被周圍的噪聲淹沒,也可以很容易得到待測信號的幅值B。
[0047]在框500中,通過電機實時電流Ia計算電機的實時力矩值!^,隨后可以通過顯示裝置來顯示該實時力矩值!^。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解的是,電機運行產(chǎn)生的總力矩T一一即電機輸出力矩1^與電機空載扭矩To之和一一與通過電機的電流呈正比,因此,可以依據(jù)下述公式來計算電機的實時力矩值T1:
[0048]Ti = CxOIa-To (4)
[0049]其中,T1是電機輸出的力矩;Ct是電機常數(shù);Φ是電機磁通,通常為常數(shù);Ia是電機實時電流;To是電機空載扭矩。
[0050]作為力矩測量的一種新的實現(xiàn)方法,基于鎖相放大原理對電機工作時的電流信號進(jìn)行解析運算,從而提取出與電機力矩相關(guān)的電學(xué)弱信號分量,最終測量出電機實時的輸出力矩大小,使得電機力矩測量結(jié)果更加精確,測量成本更低。
[0051]以上實施例僅表達(dá)了本實用新型的實施方式,其描述較為具體和詳細(xì),但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是,對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn),這些都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。因此,本實用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種電機力矩測量系統(tǒng),其特征在于,包括依次串聯(lián)的電源、調(diào)制電路、直流電機、電流電壓轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器和鎖相放大器,以及電壓信號發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器,其中 所述電壓信號發(fā)生器包含第一輸出端和第二輸出端,所述第一輸出端通過所述DA轉(zhuǎn)換器連接至所述調(diào)制電路,以便為所述調(diào)制電路提供電壓信號,所述第二輸出端連接至所述鎖相放大器,以便為所述鎖相放大器提供經(jīng)倍頻的參考電壓信號; 所述鎖相放大器包含第一輸入端和第二輸入端,分別用于接收來自所述AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號和來自所述電壓信號發(fā)生器的所述經(jīng)倍頻的參考電壓信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機力矩測量系統(tǒng),其特征在于,所述經(jīng)倍頻的參考電壓信號為二倍頻參考電壓信號。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機力矩測量系統(tǒng),其特征在于,所述電壓信號發(fā)生器和所述鎖相放大器分別為集成于控制電路中的DDS信號發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相放大模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機力矩測量系統(tǒng),其特征在于,所述電機力矩測量系統(tǒng)還包含顯示裝置,所述顯示裝置用于顯示計算出的電機力矩值。
【文檔編號】G01L3/00GK205483349SQ201620296458
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】徐弈辰, 魯湛, 張江輝, 李紅斌, 周曉蓉
【申請人】蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院