CN105698991A - 用于电机的齿槽转矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种齿槽转矩测量装置，其包括驱动机构，该驱动机构转动地驱动所述电机的输出轴、同时电机未通电；转动角检测器，该转动角检测器检测所述电机的转动角；角加速度计算单元，该角加速度计算单元用于从所述转动角计算角加速度；转矩计算单元，该转矩计算单元将角加速度转换为扭矩；以及信号处理单元，该信号处理单元用于根据由所述转动角检测器检测的所述转动角和由所述转矩计算单元计算的所述转矩，计算用于所述转动角的齿槽转矩的波形。

Description

用于电机的齿槽转矩测量装置

优先权信息

本申请要求于2014年12月9日提交的申请号为2014-249309的日本专利申请的优先权，其公开的全部内容通过参考引入此处。

技术领域

本发明涉及用于测量电机的齿槽转矩的装置。

背景技术

循环转矩脉冲是在电机未通电的情况下转子转动时，由铁芯和永磁体之间的相互作用产生，称为齿槽转矩。当使用具有高齿槽转矩的电机驱动机器工具的进给轴时，将产生如创建摩尔（moiré）的缺点。为此，需要一种较低齿槽转矩的电机。

但是，齿槽转矩的振幅通常具有非常小的值，例如，仅为机器工具内的电机的连续额定转矩的1%或更少，使齿槽转矩的测量很困难。以往已经提出很多关于测量电机的齿槽转矩的方法的建议。

例如，JP 2006-220497 A 公开了通过转矩计测量齿槽转矩的方法。参考附图5，具体描述了该齿槽转矩测量方法。图5展示了齿槽转矩测量装置的示意结构。齿槽转矩测量装置41包括驱动电机50，其作为用于转动待测量的电机42的驱动装置；转矩计51，其作为转矩测量装置；以及编码器52，其作为转动角测量装置。待测量的电机42的输出轴42a通过第一连接件43以整体转动的方式连接至转矩计51的转动轴51a，转矩计51的转动轴51a进一步通过第二连接件44以整体转动的方式连接至驱动电机50的输出轴50a。驱动电机50根据来自控制器54的命令启动，从而通过第二连接件44转动转矩计51，并通过第一连接件43转动处于非通电状态下的待测量的电机42。

然后，转矩计51检测在待测量的电机42内产生的转矩，并输出与该测量的转矩对应的转矩测量信号。安装至驱动电机50上的编码器52测量驱动电机50的未示出的驱动轴的转动角，以检测待测量的电机42的转动角，并将与检测的角度对应的角度检测信号输出至控制器54。控制器54根据从转矩计51通过滤波器53输入的转矩检测信号以及从编码器52输入的角度检测信号，确定待测量的电机42的齿槽转矩。

同时，JP 2010-158123 A公开了一种用于测量齿槽转矩的方法，其中电机转动时转子的转动角的二级微分乘以转子的转动惯量获得一个值。参考附图6，详细地描述了用于测量齿槽转矩的方法。图6为齿槽转矩检测装置的方框图。该齿槽转矩检测装置61包括逆变器71、待测量的电机72、作为转动角检测单元的编码器73和作为电机72的控制装置的专用控制器64。在该方法中，在角加速度计算单元81对转动角进行二阶微分，以得到转动角加速度，并且在倍频器93中，用待测量的电机72的转子的转动惯量92乘以转动角加速度，从而计算齿槽转矩，其中当通过逆变器71在恒转矩下驱动电机72时，由编码器73检测转动角。

在JP 2006-220497中（其中驱动电机50通过转矩计51连接至待测量的电机42）所示的前述测量方法中，为了准确地测量齿槽转矩，要求驱动电机50的转动惯量远高于待测量的电机42的转动惯量。下面利用数学表达式来描述这样做的原因。用于由待测量的电机42的齿槽转矩产生的速度的改变的加速度记做α，驱动电机50的转动轴的转动惯量记做Jd，和驱动电机50的输出转矩记做Td。由如下等式（1）（在如下等式中，未考虑转动轴的摩擦转矩和转矩计的转动惯量）表达从转矩计51输出的转矩检测信号St，其表示通过转矩计51从待测量的电机42传输至驱动电机50的齿槽转矩和驱动电机50的输出转矩Td的和。

考虑加速度α，其通过α=（施加在转动轴上的转矩）/（转动轴的转动惯量）而获得，按照如下等式（2）获得加速度α：

α = (Tcog-Td)/(Jm+Jd) ∙∙∙ (2)

其中，Jm表示待测量的电机42的转动惯量，Tcog表示待测量的电机42的齿槽转矩。

在此，假设条件Td=Tcog，那么等式（2）中的加速度α为零。替代等式（1）中的α的值，得到St=Td=Tcog。在这种情况下，可通过测量从转矩计51中输出的转矩检测信号准确地测量齿槽转矩。但是，条件Td=Tcog为通过控制驱动电机50的速度而完全抵消由待测量的电机42的齿槽转矩产生的速度变化的一种条件。实际上，几乎不可能准确地建立这种条件，且建立这种条件的失败不可避免地导致测量的错误。下面描述了使转矩检测信号St尽可能接近齿槽转矩Tcog的方法。将等式（2）代入等式（1）得到以下等式（3）。

从等式（3）中，可以理解当同时满足Jd/(Jm+Jd)≈1和Jm/(Jm+Jd)≈0时，可以得到St≈Tcog。为此，Jd应该远远大于Jm。

以上证明了驱动电机50的转动惯量Jd需要远大于待测量的电机42的转动惯量Jm，以准确地测量齿槽转矩。为此，当测量大电机的齿槽转矩时，安装的驱动电机50必须远远大于待测量的电机42。这导致测量装置尺寸的增加。

另一方面，在JP 2010-158123公开的测量方法中，因为电流通过待测量的电机72，在测量齿槽转矩时，同时测量了电流的通过引起的转矩脉冲分量。这产生一个问题，即不能提供单独测量齿槽转矩的方法。

发明内容

根据本发明的齿槽转矩测量装置为用于测量电机的齿槽转矩的装置，其包括驱动机构，用于转动地驱动电机的输出轴、同时电机未通电；转动角检测器，用于检测电机的转动角；角加速度计算单元，用于对转动角进行二阶微分，以计算转子的角加速度；转矩计算单元，用于通过电机中的转子的转动惯量乘以角加速度，以计算转矩；以及信号处理单元，用于根据由转动角检测器检测的转动角和由转矩计算单元计算的转矩确定用于转动角的齿槽转矩的波形。

根据本发明的一方面，驱动机构为这样一种机构，其中通过牵拉缠绕在电机的输出轴上的线转动待转动的电机的输出轴。该驱动机构可以是用于手动转动电机的输出轴的机构。或者，该驱动机构可以是一种机构，其中通过连接至电机的输出轴的直接驱动电机转动电机的输出轴。

根据本发明，即使当测量大电机的齿槽转矩时，也可以利用小的测量装置准确地测量齿槽转矩。此外，因为没有电流通过待测量的电机，可防止由电流引起的转矩脉冲的产生，这使得测量装置可单独测量齿槽转矩。

附图说明

参考附图，将进一步描述本发明，其中相似的附图标记代表相似的部件，其中：

图1展示了根据本发明第一实施例的齿槽转矩测量装置的示意结构；

图2为根据本发明的齿槽转矩测量方法的流程图；

图3展示了根据本发明第二实施例的齿槽转矩测量装置的示意结构；

图4展示了根据本发明第三实施例的齿槽转矩测量装置的示意结构；

图5展示了传统齿槽转矩测量装置的示意结构；和

图6展示了另一个传统齿槽转矩测量装置的示意结构。

具体实施方式

实施例1

图1展示了根据本发明的第一实施例的齿槽转矩测量装置1的示意结构。如图1所示，齿槽转矩测量装置1包括滑轮3，其安装在待测量的电机2的输出轴上，作为用于转动待测量的电机2的驱动装置；线4，当线4可缠绕滑轮3时，其一端连接至滑轮，另一端沿着竖直方向悬挂；悬挂重物5，其悬挂在线4的另一端；编码器6，其作为转动角检测装置；齿槽转矩计算单元7；以及信号处理单元10。齿槽转矩计算单元7由角加速度计算单元8和转矩计算单元9构成。角加速度计算单元8对由编码器6检测的转动角进行二阶微分，以计算角加速度。转矩计算单元9利用转动轴的已知转动惯量乘以在角加速度计算单元8中计算的角加速度，以得到转矩。

同时，信号处理单元10由中央处理单元（CPU）11和内存12构成。中央处理单元11具有从内存12中读取用于分析齿槽转矩波形的频率的程序并执行该程序的功能，而内存12由ROM或RAM构成，其中在ROM中存储用于分析齿槽转矩波形的频率的程序，在RAM中可重写地存储如检测数据等数据。

接下来，参考附图2，将描述用于测量齿槽转矩的程序步骤。首先，在步骤10中，转动地启动待测量的电机2的转动轴。具体地，选择重物5，以提供大于待测量的电机2的转动轴的静摩擦转矩的负载，且重物5连接至缠绕在滑轮3上的线4的一端。通过重物5的负载将恒转矩施加至待测量的电机2的转动轴上，这使转动轴以恒角加速度转动。

然后，在步骤11中，通过编码器6检测待测量的电机2的转动角，并将在齿槽转矩计算单元7中计算的转矩存储于内存12中。

随后，在步骤12中确定转动轴是否进行一个完整的转动。根据在开始测量齿槽转矩之后最初存储的转动角与当前的转动角之差是否达到或超过360度来确定转动轴是否进行一个完整的转动。当确定转动轴没有进行一个完整的转动时，操作返回至步骤11，以再次将待测量的电机2的转动角和转矩存储于内存12中。重复这些步骤，直至待测量的电机2的转动轴进行一个完整的转动。此时，可测量具有任何周期的齿槽转矩。虽然扔优选测量用于转动轴的一个完整转动的齿槽转矩，但是不必为获得一个完整转动的齿槽转矩而进行测量，且当已知齿槽转矩周期时，可进行齿槽转矩的测量，例如以至少获得用于由360度除以齿槽转矩周期得到的值对应的转动角的齿槽转矩。

然后，在步骤13中，在待测量的电机2的转动轴进行一个完整的转动之后，在图表上创建了齿槽转矩的波形，基于内存12中记录的数据，该图表的纵轴为在转矩计算单元9中计算的转矩，横轴为转动角。接下来，在步骤14中，对创建的齿槽转矩的波形进行频率分析，以计算转动的各阶（each order of rotation）的分量。

与JP 2006-220497 A中描述的齿槽转矩测量方法相反，在该实施例中，待测量的电机没有通过转矩计连接至驱动电机。这可防止保持驱动电机的转动惯量远大于待测量的电机的转动惯量的必要，从而从转矩计输出的转矩检测信号与背景技术部分描述的齿槽转矩匹配。因此，可以在较小的测量装置中准确地测量齿槽转矩。另一方面，与JP 2010-158123 A中描述的齿槽转矩测量方法不同，没有电流通过待测量的电机，这使得能够单独地测量齿槽转矩。

请注意用于驱动待测量的电机2的装置不限于上面所述装置，可以通过例如直接缠绕在待测量的电机2的转动轴上的线4来进行驱动。进一步地，牵拉线4的方式不限于以上所述方式，可以通过如以下所述的不同方式进行。单独设置未示出的收线电机（wire taking up motor），滑轮连接至收线电机的输出轴。然后，线4的末端连接至齿轮（该齿轮连接至收线电机的输出轴），以当通过转动收线电机牵拉线4时，驱动待测量的电机2。 此时，收线电机不需要使待测量的电机恒速转动，这可以消除使驱动电机的转动惯量远大于待测量的电机的转动惯量的必要性，从而使得利用较小的测量装置即可准确地测量齿槽转矩。

实施例2

图3示意地展示了根据本发明第二实施例的、用于电机的齿槽转矩测量方法中使用的部件。在第二实施例中，可利用结构小于第一实施例中的测量装置的结构的测量装置测量齿槽转矩。

参考图3，以下描述了根据第二实施例的齿槽转矩测量方法。与第一实施例中的部件相同的部件用与第一实施例的附图标记相同的附图标记表示，且相关部件的描述将不再重复。与第一实施例的不同点在于把手13安装在待测量的电机2的输出轴上，用于驱动待测量的电机2的转动轴的装置通过手动转动把手13来实现。此时，优选进行转动把手13的手动操作，其目的在于简单给予转动力，而不是进行例如给予恒定转动速率的任何操作。向输出轴施加力而非转动力可导致齿槽转矩衰减或放大，这会损害齿槽转矩的准确测量。除了与用于驱动输出轴的装置相关的步骤之外，用于测量齿槽转矩的程序步骤与第一实施例中的步骤相同，在此不再重复赘述。

应该注意的是，以手动转动输出轴的方式作为用于驱动待测量的电机2的装置不限于上述方式，且可直接通过手抓住输出轴，以手动转动待测量的电机2的输出轴。

实施例3

参考图4，描述了根据本发明的第三实施例的齿槽转矩测量方法。再一次地，与第一实施例中的部件相同的部件用与第一实施例的附图标记相同的附图标记表示，且相关部件的描述将不再重复。在第三实施例中，直接驱动电机14用作用于转动待测量的电机2的装置，编码器15用作用于直接驱动电机14的转动角检测装置，和另外安装有用于驱动直接驱动电机14的控制器17。待测量的电机2的输出轴和直接驱动电机14通过连接件16以整体转动的方式连接至彼此。根据控制器17发出的恒转矩命令操作直接驱动电机14，并且该操作通过连接件16传输至待测量的电机2的输出轴，用于在未通电状态下转动电机2。除了与用于驱动输出轴的装置相关的步骤之外，用于测量齿槽转矩的程序步骤与第一实施例中的步骤相同，在此不再重复赘述。

根据第三实施例，与JP 2006-220497 A 中描述的齿槽转矩测量方法不同，待测量的电机没有通过转矩计连接至驱动电机。这可防止保持驱动电机的转动惯量远大于待测量的电机的转动惯量的必要，从而从转矩计输出的转矩检测信号与背景技术部分描述的齿槽转矩匹配。因此，可以在较小的测量装置中准确地测量齿槽转矩。

Claims (4)

1. 用于测量电机的齿槽转矩的齿槽转矩测量装置，其包括：

驱动机构，其转动地驱动所述电机的输出轴、同时电机未通电；

转动角检测器，该转动角检测器检测所述电机的转动角；

角加速度计算单元，该角加速度计算单元对所述转动角进行二阶微分，以计算角加速度；

转矩计算单元，该转矩计算单元用所述电机中的转子的转动惯量乘以所述角加速度，以计算转矩；以及

信号处理单元，该信号处理单元根据由所述转动角检测器检测的所述转动角和由所述转矩计算单元计算的所述转矩，计算用于所述转动角的齿槽转矩的波形。

2. 根据权利要求1所述的齿槽转矩测量装置，其特征在于，所述驱动机构为一机构，其中通过牵拉缠绕在所述电机的所述输出轴上的线，转动所述电机的所述输出轴。

3. 根据权利要求1所述的齿槽转矩测量装置，其特征在于，所述驱动机构为用于手动地转动所述电机的所述输出轴的机构。

4. 根据权利要求1所述的齿槽转矩测量装置，其特征在于，该驱动机构为一机构，其中通过直接驱动电机转动所述电机的所述输出轴，所述直接驱动电机的输出轴连接至所述电机的所述输出轴。