CN105806403A

CN105806403A - 一种步进电机性能测试设备

Info

Publication number: CN105806403A
Application number: CN201610140478.3A
Authority: CN
Inventors: 梁越昇; 李庆; 杨建国
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University; National Dong Hwa University
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: CN105806403B

Abstract

本发明提供了一种步进电机性能测试设备，包括：用于安装步进电机的电机安装支架；用于通过自重给电机丝杠施加轴向力的配重块；用于将配重块的轴向力同轴传递给电机丝杠的力分配帽；用于使配重块能灵活地上下移动并能准确地加载至电机丝杠上的活动支撑/导向柱。被测步进电机在给定负载和给定指令条件下，本发明测试设备能够实现对步进电机位移、力矩、转动角度机械性能的测试，以及电流、功率电气性能的测试，并通过测试软件完成数据采集、处理以及结果打印等。本发明设备测试精度高、响应时间快、自动化程度高，整体结构牢固、可维修性强、可适用恶劣环境，具有很强的实用性。

Description

一种步进电机性能测试设备

技术领域

本发明涉及一种步进电机性能测试设备，尤其是涉及一种精度高、响应速度快的步进电机性能测试设备。

背景技术

步进电机作为一种重要的驱动与执行设备，广泛应用于航空航天、武器装备、工农业控制、精密机械与医疗器械等领域，步进电机测试***是步进电机生产、质量控制、整机调试与交付验收的重要测试设备，步进电机测试***的质量直接影响步进电机与机械装备的性能与精度等。

鉴于目前的电机在运行过程中容易出现功能单一、超载丢步、功耗与发热量大、自动化程度低以及不易实现高低速控制的问题，需要多种设备才能完成一台步进电机或机械装备的性能与精度的测试，测试人员工作量大、成本高，因此机电行业亟需一种具有综合测试功能的电机测试设备，以及时完成电机性能与功能的测试与调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能单独完成步进电机的性能测试，且操作简单、成本低、精度高、响应快速的步进电机性能测试设备。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种步进电机性能测试设备，其特征在于：包括：

用于安装步进电机的电机安装支架；

用于通过自重给电机丝杠施加轴向力的配重块；

用于将配重块的轴向力对中传递给电机丝杠的力分配帽；

用于使配重块能灵活地上下移动并能准确地加载至电机丝杠上的活动支撑/导向柱。

优选地，所述电机丝杆依次通过电机丝杆过渡块、力分配帽过渡块与力分配帽连接，力分配帽顶部设有用于盛放配重块的配重块托盘，活动支撑/导向柱设于配重块托盘与电机安装支架之间，活动支撑/导向柱连接液压提升装置。

优选地，还包括：

用于测量步进电机的轴向加载力大小、径向偏置力大小的三向力传感器；

用于测量步进电机得到控制指令后角度转动情况的角度编码器；

用于测量步进电机位移变化情况的位移传感器；

用于对步进电机控制电流相对于时间变化的情况进行测量的电流传感器；

用于采集三向力传感器、角度编码器、位移传感器、电流传感器的数据，并进行处理分析，得到步进电机性能测试结果的控制采集模块。

优选地，所述三向力传感器为石英压电式力传感器；所述角度编码器为增量式角编码器；所述位移传感器为激光位移传感器；所述电流传感器为霍尔电流传感器。

优选地，所述控制采集模块包括：

线路盒：用于接收来自控制计算机模块的指令，经过解析后驱动步进电机负载工作，并将相关遥测参数传送至控制计算机模块，同时实现步进电机的供电、自主监测；

显示器与键盘模块：用于显示采集记录结果、并通过键盘模块与控制计算机模块进行人机交互控制；

信号调理及转接箱模块：负责控制计算机模块与线路盒、各传感器之间的信号隔离、调理转换及转接功能，并为各个传感器供电；

控制计算机模块：用于控制线路盒、各传感器，并显示、记录***工作状态及步进电机的轴向力、径向力、角度、电流参数，与线路盒通讯，实时采集线路盒和设备的信号；

线性电源：用于为线路盒、各传感器、信号调理与转接箱模块供电。

优选地，所述线路盒的一个控制信号输出端连接控制计算机模块，接收来自控制计算机模块的指令；所述线路盒的另一个控制信号输出端连接步进电机，将控制计算机模块的指令经过解析后驱动步进电机负载工作，并将相关遥测参数传送至控制计算机模块；

所述三向力传感器、角度编码器、位移传感器、电流传感器的信号输出端接至前端信号调理及转接箱模块的数据采集输入端，前端信号调理及转接箱模块输出端接至后端信号调理及转接箱模块输入端，后端信号调理及转接箱模块输出端与控制计算机模块连接，控制计算机模块将采集得到的数据处理分析后发送至显示器与键盘模块。

优选地，所述后端信号调理及转接箱模块输出端通过USB接口与控制计算机模块连接。

优选地，所述控制计算机模块上设有软件测试***，软件测试***由测量模块、控制模块、数据管理模块、报告生成模块组成；控制模块发送指令给测量模块开始测量，测量完毕将测量数据交给数据管理模块，完成数据的处理、回放和转换，最后通过报告生成模块生成报告。

优选地，如果测量模块的测量值超过报警设定值，则给出报警信号。

优选地，如果测量模块的测量值超过动作设定值给出的控制信号，则控制加载设备停止加载，同时停止步进电机，退出工作状态并回位。

本发明提供的步进电机测试设备可以对步进电机在轴向动态加载时，在控制***指令下，通过线路盒来完成步进电机的调节，并测试步进电机执行指令的正确性(包括：步进垂直精度、角度精度、力矩等机械性能，功率与驱动电流等电气性能)，同时能验证推进线路盒对步进电机控制精度的正确性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、能完成多个测试项目，本发明涉及的电机测试***能综合完成步进电机的位移、扭矩、转速的机械性能测试，以及工作电流、工作功率的电气性能测试。

2、测试精度高、测试响应快，本发明涉及的电机测试***能快速测试电机性能参数、传感器精度高、时间相应快。

3、自动化程度高，本发明涉及的电机测试***能实时对机械与电气性能测试，同时能完成对测试数据的记录、分析、测试报告自动生成并打印的工作，减少人为干预。

4、整体结构牢固，可维修性强，可适用恶劣环境。

5、实用性强，通过本发明可为大型电机行业、航天电机测试以及其他工业部门等带来更大的经济效益。

附图说明

图1为本实施例提供的步进电机性能测试设备的球头设计与三向力传感器示意图；

图2为本实施例提供的步进电机性能测试设备的电气硬件结构示意图；

图3为本实施例提供的步进电机性能测试设备电气图；

图4为本实施例提供的步进电机性能测试设备软件***结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例提供的步进电机性能测试设备主要包括机械安装结构、电气硬件结构和测试软件三大部分。

一、机械安装结构

结合图1，机械安装机构包括电机安装支架1，步进电机安装在电机安装支架1上，电机丝杆2依次通过电机丝杆过渡块3、力分配帽过渡块5与力分配帽6连接；力分配帽6顶部设有配重块托盘7，配重块托盘7用于盛放配重块；配重块托盘7与电机安装支架1之间设有活动支撑/导向柱8，活动支撑/导向柱8连接液压提升装置。

使用三个或以上的活动支撑/导向柱的结构，通过配重块自重给电机丝杠一个轴向力，测试电机机械性能，利用下述相关传感器进行数据测量：

三向力传感器4：安装于电机丝杆过渡块3与力分配帽过渡块5之间，用于测量步进电机的加载力大小(轴向)、偏置力大小(径向)。

角度编码器：安装于步进电机旋转轴上，用于测量步进电机得到控制指令后角度转动情况。

位移传感器：安装于步进电机正下方，用于测量步进电机位移变化情况。

电流传感器：安装于前端信号调理与转接箱内，用于对步进电机控制电流相对于时间变化的情况进行测量。

上述位移传感器采用激光位移传感器，测量范围30±5mm，分辨率0.2μm，重复精度0.6μm，响应频率10kHz。

上述角度编码器采用5-32V增量式角编码器，单圈脉冲数65536，测量分辨率16bits，最大输出频率820KHz，精度0.008°。

上述三向力传感器采用石英压电式力传感器，轴向力测量范围(z向)为5kN，径向力测量范围(x、y向)为2.5kN，线性度为±0.5％FS。

上述电流传感器采用霍尔电流传感器，额定输出电压5V±50mV，测量精度为0.1％，响应时间提高到0.1us。线性度≤0.1％FS。

测试设备的机械部分主要满足步进电机安装要求、各类传感器安装要求、加载装置对中要求。

其中，加载装置的对中要求是通过配重块给电机丝杠施加轴向力，考虑到配重块的重心不一定与丝杠轴心在一条直线上，本实施例利用一个光滑球面(力分配帽)将配重块的轴向力传递给丝杠，另外使用三个或以上的活动支撑/导向柱的结构，使得配重块能灵活地上下移动并能准确的加载至电机丝杠上。

液压提升转置采用脚踏式液压泵，其作用是通过液压油泵使配重块能随着活动支撑/导向柱上下安全移动，并带有锁定功能，该液压缸采用导向环设计，能长期无障碍工作，电动泵紧凑轻巧，方便携带。

二、电气硬件结构

结合图2，电气硬件结构主要包括两个模块：一个为电机安装模块，另一个为控制采集模块。电机安装模块为步进电机、各类传感器的安装。控制采集模块包括对各类传感器与步进电机供电、对各类数据的采集与信号控制功能。

整个电气硬件测试***机箱总高度为21U(44.45*21＝933.45mm)，深度为800mm。机箱从上至下依次为：(1)线路盒、(2)显示器与键盘模块、(3)信号调理及转接箱模块、(4)控制计算机模块(含422总线、1553B总线、模拟量采集、数字量控制板卡)、(5)程控线性电源、(6)电缆等。

各个模块功能如下：

(1)线路盒：推进线路盒用于接收来自控制计算机模块的RS422指令，经过解析后驱动步进电机负载工作，并将相关遥测参数传送至控制计算机模块。同时实现步进电机的供电、自主监测。

(2)显示器与键盘模块：主要显示采集记录结果、并通过键盘模块与控制计算机人机交互控制。

(3)信号调理及转接箱模块：负责控制计算机与线路盒、传感器之间的信号隔离、调理转换及转接功能，并能够为各个传感器供电。

(4)控制计算机模块：用于控制线路盒、传感器，并显示、记录***工作状态及步进电机的轴向力、径向力、角度、电流等参数，通过422总线、1553B总线与线路盒通讯，实时采集线路盒和设备的信号。

(5)线性电源：主要为线路盒供电。采用全调节线性电源40V/15A和不调节线性电源40V/5A两路为线路盒供电。后端信号调理箱中模块化电源为传感器供电分别是：±15V电压为霍尔电流传感器供电，24V电压为三向力、激光测距传感器、角度编码器供电。

(6)电缆：实现各个模块内部间及电机安装模块与采集控制模块之间的连接功能；

本实施例整个***架构采用21U标准机柜的样式，进行支撑结构的设计，整套支架设计坚实可靠，可在测试测量过程中对电机的影响减少到最低。

如图3所示，线路盒的一个控制信号输出端连接至控制计算机模块，接收来自控制计算机模块的RS422指令；一个控制信号输出端连接至步进电机，经过解析后驱动步进电机负载工作，并将相关遥测参数传送至控制计算机模块。

角度编码器、激光位移传感器、霍尔电流传感器、三向力传感器的信号输出端接至前端信号调理与转接的数据采集输入端；前端信号调理与转接输出端接至后端信号调理与转接输入端；后端信号调理与转接输出端通过USB接口与控制计算机模块连接，控制计算机模块将采集得到的数据发送至显示器与键盘模块。程控线性电源分别为线路盒、各传感器、信号调理与转接箱模块(前端与后端)供电，另外步进电机、控制计算机、键盘与显示模块需单独供电。

三、测试设备软件

结合图4，软件测试***由测量模块、控制模块、数据管理模块、报告生成模块组成。

步进电机测试软件通过人机交互界面可实现：当控制模块发送指令开始测量、测量完毕可将测量数据交给数据管理模块处理、完成数据的处理、数据的回放和转换、最后生成报告方便查看。其中，底层硬件驱动用于数据采集和电机控制的底层驱动；位移、力矩、三向力、电流、电机旋转角度模块用于测试相关物理量；电机驱动子程序模块用于根据程序指令或单步执行指令给被测试电机发出动作指令；数据处理、输出保存子程序，在试验结束后查看试验数据、编制测试报告，并可自动输出位移对时间、速度随时间、加速度对时间、电流对时间、角度对时间或任意两个被测参量之间的关系曲线。

此***软件采用NI-Labview作为软件开发平台，运行环境为WindowsXP操作***，另外需要安装Office-2003及相应的硬件驱动***。

该软件平台件基于计算机和其他与用测试平台的测量软件硬件产品，快速搭建灵活、用户自定义的测量***，并提供适应不同方向的算法工具包对现有平台的功能进行扩展。

上述控制单元通过USB接口与数据处理和显示单元连接。

上述控制计算机模块采用研华PCI平台。

本实施例测试设备能够实现对步进电机位移、扭矩、转速机械性能的测试，以及电压、电流、功率电气性能的测试。采用上述步进电机综合测试设备，对步进电机的各项性能参数进行综合测试的步骤，包括以下环节：

(1)首先对主要传感器进行校准，包括位移传感器、三向力传感器、以及角度编码器的校准。

(2)将步进电机固定于电机安装支架上。

(3)采用配重块给步进电机进行固定加载。

(4)实时测量并同步记录丝杠位置和运动距离速度、步进电机旋转角度、步进电机控制电流、加载力大小(轴向)、偏置力大小(径向)等相关参数。

(5)实时采集监测步进电机的工作电流；丝杠所受的力、力矩；步进电机转动角度；丝杠位移等，一旦测量值超过报警设定值给出的报警信号；超过动作设定值给出的控制信号，控制加载设备停止加载，停止步进电机退出工作状态并回位，从而保护电机。

(6)在此过程中通过功率分析仪测试电机输出功率。步进电机综合测试设备试验按照一定的测试规范给电机加载，使电机可以工作在各种给定的工况下，同时还要为电机提供一定的保护措施。测试对象为两相直流步进电机。采用程控线性电源-电机控制器-电机-测试机的连接方式，从而驱动电机工作。电机的输出轴连到测功机，通过测功机来完成机械功率的吸收。

对步进电机的各项性能参数进行综合测试的方法，具体包括：

a.位移测试：当激光打到被测物体上，在被测物体上形成红色的光斑。通过透镜的聚焦，光斑会依据被测物体的位置落在CMOS传感器的相应位置上。通过对光斑位置的检测，就可以测出被测体与传感器的距离。

b.步距角测试：首先，控制计算机读取被测步进电机运动之前的角度数据，然后控制被测步进电机运动一步并读取被测步进电机运动之后的角度数据，再将被测步进电机运动前、后的角度数据相减即可得到当前的步距角，按上述方法控制被测步进电机运动一天即可得到被测步进电机的全部步距角数据，通过对步距角数据进行统计分析即可得到步距角精度。

c.力矩测试：首先，线路盒向步进电机驱动电路发出控制信号，使被测步进电机单相绕组加电，被测步进电机处于静态保持模式，此时被测步进电机输出力矩为静力矩，控制计算机连续读取光电编码器输出的被测步进电机角度值，当检测到角度值超出临界范围，被测步进电机输出力矩为动力矩。通过提高对被测步进电机角度的检测频率，能够提高动静力矩的测试精度。

d.电流测试：控制计算机连续采集霍尔电流传感器的输出信号，能够实时地测量步进电机的驱动电流。并通过报告生成模块，打印出电流对时间的变化关系曲线。

e.功率测试：首先，控制计算机向步进电机驱动电路发出控制信号，使被测步进电机连续旋转，在逐渐增加被测步进电机驱动频率的过程中并检测被测步进电机的转动角度，当检测到被测步进电机的旋转角度小于预定值时就说明被测步进电机已处于失步状态，被测步进电机的最高工作频率即为当前的驱动频率。

在控制计算机中设置测试任务列表，依次执行可实现自动完成上述各项性能参数的全部测量，并完成各个参数对时间或任意两个被测参量之间的关系曲线的打印。

Claims

1.一种步进电机性能测试设备，其特征在于，包括：

用于安装步进电机的电机安装支架(1)；

用于通过自重给电机丝杠(2)施加轴向力的配重块；

用于将配重块的轴向力对中传递给电机丝杠(2)的力分配帽(6)；

用于使配重块能灵活地上下移动并能准确地加载至电机丝杠(2)上的活动支撑/导向柱(8)。

2.如权利要求1所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：所述电机丝杆(2)依次通过电机丝杆过渡块(3)、力分配帽过渡块(5)与力分配帽(6)连接，力分配帽(6)顶部设有用于盛放配重块的配重块托盘(7)，活动支撑/导向柱(8)设于配重块托盘(7)与电机安装支架(1)之间，活动支撑/导向柱(8)连接液压提升装置。

3.如权利要求1或2所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于，还包括：

用于测量步进电机位移变化情况的位移传感器；

4.如权利要求3所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：所述三向力传感器为石英压电式力传感器；所述角度编码器为增量式角编码器；所述位移传感器为激光位移传感器；所述电流传感器为霍尔电流传感器。

5.如权利要求3所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于，所述控制采集模块包括：

6.如权利要求5所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：所述线路盒的一个控制信号输出端连接控制计算机模块，接收来自控制计算机模块的指令；所述线路盒的另一个控制信号输出端连接步进电机，将控制计算机模块的指令经过解析后驱动步进电机负载工作，并将相关遥测参数传送至控制计算机模块；

7.如权利要求6所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：所述后端信号调理及转接箱模块输出端通过USB接口与控制计算机模块连接。

8.如权利要求5或6所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：所述控制计算机模块上设有软件测试***，软件测试***由测量模块、控制模块、数据管理模块、报告生成模块组成；控制模块发送指令给测量模块开始测量，测量完毕将测量数据交给数据管理模块，完成数据的处理、回放和转换，最后通过报告生成模块生成报告。

9.如权利要求8所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：如果测量模块的测量值超过报警设定值，则给出报警信号。

10.如权利要求8所述的一种步进电机性能测试设备，其特征在于：如果测量模块的测量值超过动作设定值给出的控制信号，则控制加载设备停止加载，同时停止步进电机，退出工作状态并回位。