電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本實(shí)用新型的一種電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的電源、調(diào)制電路、直流電機(jī)、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(hào)發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器，其中電壓信號(hào)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(lái)自AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)和來(lái)自電壓信號(hào)發(fā)生器的經(jīng)倍頻的參考信號(hào)。本實(shí)用新型所提供的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)基于鎖相放大原理，能夠獲得更精確的實(shí)時(shí)力矩測(cè)量值，并顯著地降低測(cè)量成本。
【專利說(shuō)明】
電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及電機(jī)力矩測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種基于鎖相放大器的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制大多只局限于對(duì)位置的精確控制，而隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬、使用日漸普遍，在機(jī)器人操作過(guò)程中對(duì)于力、力矩的實(shí)時(shí)控制需求逐漸提升。常見(jiàn)的點(diǎn)電機(jī)力矩的測(cè)量方法主要還是基于力矩對(duì)于傳感器產(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)變化的原理進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(gè)傳感器自身還存在物理體積較大，價(jià)格高的特點(diǎn)。
【實(shí)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(shí)用新型基于鎖相放大器能夠精確檢測(cè)信噪比極低的微弱信號(hào)的特點(diǎn)，提供一種高精度、低成本的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，以基于鎖相放大原理對(duì)電機(jī)工作時(shí)的電流信號(hào)進(jìn)行解析運(yùn)算，從而提取出與電機(jī)力矩相關(guān)的電學(xué)弱信號(hào)分量，最終測(cè)量出電機(jī)實(shí)時(shí)的輸出力矩大小。
[0004]根據(jù)本實(shí)用新型的一種電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的電源、調(diào)制電路、直流電機(jī)、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(hào)發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器，其中
[0005]電壓信號(hào)發(fā)生器包含第一輸出端和第二輸出端，第一輸出端通過(guò)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(hào)，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(hào)
[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(lái)自AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)和來(lái)自電壓信號(hào)發(fā)生器的經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)。
[0007]進(jìn)一步地，經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)為二倍頻參考電壓信號(hào)。
[0008]進(jìn)一步地，電壓信號(hào)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(hào)發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相放大模塊。
[0009]進(jìn)一步地，電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)還包含顯示裝置，顯示裝置用于顯示計(jì)算出的電機(jī)力矩值。
[0010]根據(jù)本實(shí)用新型的一種基于鎖相放大器的電機(jī)力矩測(cè)量方法，包含以下步驟:
[0011]步驟一:電壓信號(hào)發(fā)生器的第一輸出端通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器向調(diào)制電路輸出第一電壓信號(hào)，以對(duì)從電源輸入電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)制，生成經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號(hào)，同時(shí)電壓信號(hào)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(hào)；
[0012]步驟二:經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號(hào)依次經(jīng)過(guò)直流電機(jī)和電流電壓轉(zhuǎn)換器，生成第三電壓信號(hào)；
[0013]步驟三:通過(guò)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(hào)的諧波，其中所述第三電壓信號(hào)為攜帶電機(jī)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(hào)的諧波和經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)提取電機(jī)實(shí)時(shí)電流Ia;
[0015]步驟五:通過(guò)電機(jī)實(shí)時(shí)電流計(jì)算并顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值Ti。
[0016]進(jìn)一步地，諧波為第三電壓信號(hào)的二次諧波，并且經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)為二倍頻電壓信號(hào)。
[0017]進(jìn)一步地，步驟二具體包括:第二電壓信號(hào)經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，隨后電流信號(hào)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為第三電壓信號(hào)。
[0018]進(jìn)一步地，步驟五包括依據(jù)以下公式計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值:
[0019]Ti = CtO Ia-To
[0020]其中，Τι是電機(jī)輸出的力矩;Ct是電機(jī)常數(shù)；Φ是電機(jī)磁通；Ia是電機(jī)實(shí)時(shí)電流;To是電機(jī)空載扭矩。
[0021]由于采用于上技術(shù)方案，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1.本實(shí)用新型直接針對(duì)通電回路進(jìn)行測(cè)量，省略了傳感器等繁瑣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，既降低了整體成本又提高了測(cè)量精度；
[0023]2.依據(jù)本實(shí)用新型的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)不受外部環(huán)境的影響，對(duì)電信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)；
[0024]3.可以將電壓信號(hào)發(fā)生器和鎖相放大器集成于機(jī)器人原有的運(yùn)動(dòng)控制器電路中，有效節(jié)約了成本；
[0025]4.能夠針對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為依據(jù)本實(shí)用新型的電機(jī)扭矩測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；
[0027]圖2為依據(jù)本實(shí)用新型的電機(jī)扭矩測(cè)量方法的流程圖。
[0028]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0029 ] I電源，2調(diào)制電路，3直流電機(jī)，4電流電壓轉(zhuǎn)換器，5AD轉(zhuǎn)換器，6鎖相放大器，7電信號(hào)發(fā)生器，8DA轉(zhuǎn)換器，9控制電路。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0031]圖1為依據(jù)本實(shí)用新型的電機(jī)扭矩測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。電機(jī)扭矩測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))總體包含電源1、調(diào)制電路2、直流電機(jī)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(hào)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(jī)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(jī)3的正常運(yùn)行提供電會(huì)K。
[0032]電壓信號(hào)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(guò)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(hào)，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(hào)。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(lái)自AD轉(zhuǎn)換器5的電壓信號(hào)和來(lái)自電壓信號(hào)發(fā)生器7的經(jīng)倍頻的參考信號(hào)。由于來(lái)自AD轉(zhuǎn)換器5的電壓信號(hào)曾經(jīng)過(guò)直流電機(jī)3，因此在其諧波中包含與直流電機(jī)3的力矩相關(guān)的電壓信號(hào)成分，因此將該電壓信號(hào)與參考信號(hào)在鎖相放大器6中進(jìn)行比較運(yùn)算便可以準(zhǔn)確地提取出直流電機(jī)3的實(shí)時(shí)電流，從而根據(jù)電流與電機(jī)輸出力矩的關(guān)系計(jì)算出直流電機(jī)3的實(shí)時(shí)力矩。在本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)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(hào)的二次諧波，相應(yīng)的，由電壓信號(hào)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(hào)為二倍頻電壓信號(hào)。
[0033]在實(shí)際生產(chǎn)中，電壓信號(hào)發(fā)生器7和鎖相放大器6可以分別作為DDS信號(hào)發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相放大模塊集成于機(jī)器人現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制電路9中，有效地節(jié)約了現(xiàn)有機(jī)器人的改造成本，并且無(wú)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(shí)時(shí)顯示計(jì)算出的電機(jī)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(jī)力矩測(cè)量方法。如圖所示，在框101中，直流電機(jī)3憑借電源I提供的電能正常運(yùn)行時(shí)，電壓信號(hào)發(fā)生器7的第一輸出端71輸出第一電壓信號(hào)，該第一電壓信號(hào)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后作為調(diào)制電路2的輸入信號(hào)。從電源I輸入直流電機(jī)3的電壓通過(guò)第一信號(hào)和調(diào)制電路2后生成第二電壓信號(hào)。與此同時(shí)，在框102中，電壓信號(hào)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(hào)作為參考電壓信號(hào)。
[0036]在框200中，經(jīng)調(diào)制的第二電壓信號(hào)依次經(jīng)過(guò)直流電機(jī)3和電流電壓轉(zhuǎn)換器4，生成第三電壓信號(hào)。更具體地，第二電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)直流電機(jī)3時(shí)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該電流信號(hào)中攜帶有與電機(jī)力矩相關(guān)的信息。電流信號(hào)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(hào)。
[0037]在框300中，第三電壓信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)后由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，隨后向鎖相放大器6的第一輸入端61提供第三電壓信號(hào)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(hào)的二次諧波和二倍頻的參考電壓信號(hào)提取電機(jī)實(shí)時(shí)電流Ia。更具體地，由于實(shí)時(shí)電流Ia是第三電壓信號(hào)的二次諧波分量幅值的函數(shù)，因此，計(jì)算電流Ia的關(guān)鍵就在于獲得二次諧波幅值。
[0039]在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，依據(jù)鎖相放大原理，假設(shè)待測(cè)信號(hào)，即第三電壓信號(hào)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(hào)為:
[0042]y=Asin(2 ω t+ Φ ) (2)
[0043]其中，y= Bsin(2 ω t+ Φ +θ)是待測(cè)彳目號(hào)的有用?目號(hào);N(t)是噪聲彳目號(hào)；Θ是待測(cè)f目號(hào)和參考信號(hào)的相位差。
[0044]將待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)幅值及相位差的余弦成正比；-(I/2)ΑΒ(Χ)8(4οη+2Φ+θ)為待測(cè)信號(hào)的二倍頻信號(hào)；和待測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入乘法器的噪聲信號(hào)也要和參考信號(hào)相乘，結(jié)果Asin(2cot+(i))N(t)幾乎都是交流信號(hào)。低通濾波器的通帶可以做的很窄，經(jīng)過(guò)低通濾波器，待測(cè)信號(hào)的二倍頻信號(hào)和噪聲與參考信號(hào)相乘的結(jié)果都被濾掉，僅剩下直流信號(hào)，即，-(l/2)ABcOS0。只要兩個(gè)信號(hào)的相位差Θ是己知的，則COS0恒定。由于參考信號(hào)的幅值A(chǔ)是確定的，盡管待測(cè)幅值B很小，常常被周圍的噪聲淹沒(méi)，也可以很容易得到待測(cè)信號(hào)的幅值B。
[0047]在框500中，通過(guò)電機(jī)實(shí)時(shí)電流Ia計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值!^，隨后可以通過(guò)顯示裝置來(lái)顯示該實(shí)時(shí)力矩值!^。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解的是，電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的總力矩T一一即電機(jī)輸出力矩1^與電機(jī)空載扭矩To之和一一與通過(guò)電機(jī)的電流呈正比，因此，可以依據(jù)下述公式來(lái)計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩值T1:
[0048]Ti = CxOIa-To (4)
[0049]其中，T1是電機(jī)輸出的力矩;Ct是電機(jī)常數(shù)；Φ是電機(jī)磁通，通常為常數(shù)；Ia是電機(jī)實(shí)時(shí)電流;To是電機(jī)空載扭矩。
[0050]作為力矩測(cè)量的一種新的實(shí)現(xiàn)方法，基于鎖相放大原理對(duì)電機(jī)工作時(shí)的電流信號(hào)進(jìn)行解析運(yùn)算，從而提取出與電機(jī)力矩相關(guān)的電學(xué)弱信號(hào)分量，最終測(cè)量出電機(jī)實(shí)時(shí)的輸出力矩大小，使得電機(jī)力矩測(cè)量結(jié)果更加精確，測(cè)量成本更低。
[0051]以上實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的實(shí)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(duì)本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)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(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)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(xiàng)】
1.一種電機(jī)力矩測(cè)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(jī)、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(hào)發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換器，其中 所述電壓信號(hào)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(guò)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(hào)，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(hào)； 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(lái)自所述AD轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)和來(lái)自所述電壓信號(hào)發(fā)生器的所述經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述經(jīng)倍頻的參考電壓信號(hào)為二倍頻參考電壓信號(hào)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓信號(hào)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(hào)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(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)力矩測(cè)量系統(tǒng)還包含顯示裝置，所述顯示裝置用于顯示計(jì)算出的電機(jī)力矩值。
【文檔編號(hào)】G01L3/00GK205483349SQ201620296458
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院