УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу, преимущественно шагового электродвигателя.

Известно устройство для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу электродвигателя, основанное на применении маятникового электромагнитного моментомера с противовесом [патент РФ №2279648, МПК G01L 3/22, опубликовано 10.07.2006, Бюл. №19]

Данное устройство ограничено в применении при измерении крутящего момента на непрерывно вращающемся валу электродвигателя на малых угловых скоростях, которые преимущественно используются в работе шаговых электродвигателей.

Известно устройство для измерения крутящего момента на валу, преимущественно шагового электродвигателя, построенное на моделировании ЭДС, напряжения и тока двигателя, формировании времени шага ротора и проведении умножения, интегрирования и других электронно-вычислительных операций позволяющее повысить точность измерения крутящего момента шагового электродвигателя. [А.с. СССР №1107018 МПК G01L 3/10, опубликован 07.08.1984. Бюл. №29]

Данное устройство выгодно использовать при измерении крутящего момента преимущественно микроминиатюрных шаговых электродвигателей.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для снятия начального вращающего момента электродвигателя [А.с. СССР №1695155 МПК G01L 3/10, опубликован 30.11.1991 Бюл. №44], содержащее испытуемый электродвигатель, вал которого при помощи муфты механически связан с нагрузочной машиной, причем испытуемый электродвигатель подключается к сети таким образом, что направление вращения его вала противоположно направлению вращения вала нагрузочной машины, при этом датчик частоты вращения вала нагрузочной машины через счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь связан с системой управления возбуждением нагрузочной машины, тем самым достигается равновесие состояния путем снижения частоты вращения испытуемого двигателя до нуля, что соответствует минимальному пусковому моменту.

Данное устройство не дает преимущества при исследовании и испытании шаговых двигателей в режимах дробления шага на инфранизких частотах вращения вала.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение области применения устройства для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу преимущественно шаговых электродвигателей.

Технический результат заключается в расширении диапазона мощностей и частот вращений испытуемых шаговых электродвигателей за счет использования в качестве нагрузочной машины откалиброванного (с известными нагрузочными характеристиками) шагового электродвигателя, вал которого механически связан с валом испытуемого шагового электродвигателя через упругую муфту, а испытуемый шаговый электродвигатель подключается драйвером к источнику питания так, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя.

Технический результат достигается тем, что испытуемый шаговый электродвигатель и нагрузочная машина установлены на основании устройства соосно, валы их механически связаны, а их фазные обмотки через драйверы подключены к двухполюсному источнику питания постоянного тока, входы драйверов шинами управления подключены к выходам программируемого микроконтроллера, связанного шиной управления с компьютером и управляемого им по заданной программе испытаний, устройство дополнительно содержит упругую муфту, ведущая полумуфта которой механически связана с валом испытуемого шагового электродвигателя, а ведомая полумуфта механически связана с валом нагрузочной машины, при этом полумуфты механически связаны между собой упругими элементами, обеспечивающими угловое смещение полумуфт относительно друг друга при нагрузке и оборудованы датчиком угловой скорости ведущей полумуфты и датчиком угловой скорости ведомой полумуфты, выходы которых через логическое устройство электрически связаны с входами программируемого микроконтроллера, при этом, в качестве нагрузочной машины используется откалиброванный шаговый электродвигатель с известными нагрузочными характеристиками, который подключается драйвером к источнику питания в режиме источника тока и микрошаговом режиме, а испытуемый шаговый электродвигатель подключается драйвером к источнику питания таким образом, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя.

Устройство для измерения крутящего момента шагового электродвигателя схематично представлено на Фиг., где обозначено: 1 - основание устройства; 2 - испытуемый шаговый электродвигатель; 3 - нагрузочный шаговый электродвигатель; 4 - упругая муфта; 5 - ведущая полумуфта; 6 - ведомая полумуфта; 7 - упругие элементы; 8, 9 - датчики угловых скоростей; 10 - логическое устройство; 11,12 - драйверы; 13 - источник питания постоянного тока; 14 - программируемый микроконтроллер; 15 - персональный компьютер.

Устройство для измерения крутящего момента шагового электродвигателя содержит основание 1 устройства (Фиг.) в котором соосно установлены испытуемый шаговый электродвигатель 2 и нагрузочный шаговый электродвигатель 3, валы которых механически связаны через упругую муфту 4, причем ведущая полумуфта 5 и ведомая полумуфта 6 механически связаны упругими элементами 7 и оборудованы датчиками 8 и 9 угловых скоростей ведущей и ведомой полумуфт соответственно, реализованные по известным техническим решениям, например, оптоэлектронного типа, выходы которых электрически связаны с логическим устройством 10. Электродвигатели 2 и 3 через драйвер И испытуемого шагового электродвигателя и драйвер 12 нагрузочного шагового электродвигателя соответственно связаны электрически с двухполюсным источником питания 13 постоянного тока, при этом драйверы 11 и 12 шинами управления связаны с программируемым микроконтроллером 14, на который поступают сигналы F1 и F2 с выходов логического устройства 10 и который связан шиной управления с компьютером 15, с помощью которого по программе испытаний автоматизируется процесс исследования испытуемого шагового электродвигателя 2.

Устройство для измерения крутящего момента электродвигателя работает следующим образом. Испытуемый шаговый электродвигатель 2 подключается к источнику питания 13 через драйвер 11 по сигналам управления с микроконтроллера 14 и работает на исследуемой частоте вращения, с требуемым дроблением шага и требуемой величиной тока в фазных обмотках электродвигателя, при которых требуется измерить крутящий момент на непрерывно вращающемся валу испытуемого шагового электродвигателя 2. При этом испытуемый электродвигатель 2 приводит во вращение через ведущую полумуфту 5 и ведомую полумуфту 6 упругой муфты 4 (может быть использована упругая муфта по патенту РФ №195943, МПК F16D 43/208, опубликован 11.02.2020, Бюл. №5) нагрузочный шаговый электродвигатель 3, который некоторое время остается не подключенным к источнику питания, в результате чего электродвигатель 2 и упругая муфта 4 остаются не нагруженными, а полумуфты 5 и 6 вращаются с одинаковой угловой скоростью без углового рассогласования относительно друг друга. Следующим шагом программы испытаний, запущенной компьютером 15 через программируемый микроконтроллер 14, подключается нагрузочный шаговый электродвигатель 3 через драйвер 12 к источнику питания 13 так, что его вал начинает вращаться согласно (в ту же сторону) с испытуемым электродвигателем 2, при этом частота вращения электродвигателя 3 задается равной частоте вращения электродвигателя 2, упругая муфта 4 после запуска электродвигателя 3 остается не нагружена до следующего шага программы испытания. Для плавности хода ротора нагрузочного шагового электродвигателя 3 необходимо использовать драйвер 12 в микрошаговом режиме и режиме источника тока для фазных обмоток нагрузочного электродвигателя 3, при этом его нагрузочные характеристики должны быть известны (откалиброваны) и должны быть выбраны с запасом по моменту и мощности относительно ожидаемых нагрузочных характеристик у испытуемого шагового электродвигателя 2.

На следующем шаге программы испытаний компьютер 15 через микроконтроллер 14 переводит испытуемый шаговый электродвигатель 2 на частоту вращения вала несколько выше (единицы процента) частоты вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя 3. После этого ведущая полумуфта 5 начинает обгонять ведомую полумуфту 6 и нагружать упругие элементы 7, так как вал нагрузочного шагового электродвигателя 3 и ведомая полумуфта 6 вращаются с прежней скоростью и необходимо приложить известный момент на вал нагрузочного электродвигателя 3 в сторону направления вращения, превышающий момент синхронизации поля статора и поля ротора и нарушить (сорвать) их синхронное вращение. Если это происходит, значит вращающий момент испытуемого шагового электродвигателя 2 превышает известный момент сопротивления (момент синхронизации поля статора и поля ротора) нагрузочного шагового электродвигателя 3 и следующий шаг программы должен повторить процесс, добавив малое количество (единицы процентов) тока с помощью драйвера 12 в фазах нагрузочного шагового электродвигателя 3. Программа повторяет шаги (количество шагов определяется требуемой точностью измерения) с добавлением тока до тех пор, пока не нарушится (сорвется) синхронное вращение испытуемого электродвигателя 2, это и будет точкой измерения максимального крутящего момента на непрерывно вращающемся валу испытуемого шагового электродвигателя 2 при заданной его частоте вращения и токе в фазах, определенного по известной (в точке измерения) нагрузочной характеристике шагового электродвигателя 3. На этом цикл программы завершается и задаются новые параметры (частота вращения, фазный ток, дробление шага и др.) испытуемого электродвигателя 2 и шаги программы повторяются в новом цикле поиска точки измерения максимального момента испытуемого шагового электродвигателя 2.

Для распознания момента срыва синхронного вращения того или иного шагового электродвигателя (2 или 3) ведомые полумуфты 5 и 6 оборудованы датчиками 8 и 9 угловых скоростей, по сигналам которых логическое устройство 10 определяет относительно резкое изменение угловой скорости ведомой полумуфты 6 или ведущей полумуфты 5, которое происходит из-за добавления в ту или иную сторону накопленной энергии упругих элементов 7 в результате нагружения и углового рассогласования полумуфт, и формирует сигнал (например, логическую «1») на выходе F1 или выходе F2, тем самым продолжая или завершая цикл программы исследования, воздействуя на входы программируемого микроконтроллера 14.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет автоматизировать процесс испытаний шаговых электродвигателей в широком диапазоне мощностей и частот вращения, включая инфранизкие угловые скорости вала, как при разработке новых шаговых двигателей, так и при серийном их выпуске.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента на непрерывно вращающемся валу, преимущественно шагового электродвигателя. Испытуемый шаговый электродвигатель устанавливается на основании устройства соосно с нагрузочным шаговым электродвигателем. При этом испытуемый и нагрузочный двигатели связаны электрически с драйверами, которые связаны с двухполюсным источником питания постоянного тока и шинами управления связаны с программируемым микроконтроллером, связанным и управляемым персональным компьютером. Причем валы испытуемого и нагрузочного электродвигателей механически связаны друг с другом через упругую муфту, ведущая и ведомая полумуфты которой имеют датчики угловых скоростей полумуфт, электрически связанные выходами через логическое устройство с программируемым микроконтроллером. При этом испытуемый шаговый электродвигатель подключен драйвером к источнику питания так, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя. Технический результат заключается в расширении диапазона мощностей и частот вращений испытуемых шаговых электродвигателей. 1 ил.

Устройство для измерения крутящего момента шагового электродвигателя содержащее основание устройства, на котором соосно закреплены испытуемый шаговый электродвигатель и нагрузочная машина, валы которых механически связаны, а их фазные обмотки через драйверы подключены к двухполюсному источнику питания постоянного тока, входы драйверов шинами управления подключены к выходам программируемого микроконтроллера, связанного шиной управления с компьютером и управляемого им по заданной программе испытаний, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит упругую муфту, ведущая полумуфта которой механически связана с валом испытуемого шагового электродвигателя, а ведомая полумуфта механически связана с валом нагрузочной машины, при этом полумуфты механически связаны между собой упругими элементами, обеспечивающими угловое смещение полумуфт относительно друг друга при нагрузке и оборудованы датчиком угловой скорости ведущей полумуфты и датчиком угловой скорости ведомой полумуфты, выходы которых через логическое устройство электрически связаны с входами программируемого микроконтроллера, при этом, в качестве нагрузочной машины используется откалиброванный шаговый электродвигатель с известными нагрузочными характеристиками, который подключается драйвером к источнику питания в режиме источника тока и микрошаговом режиме, а испытуемый шаговый электродвигатель подключается драйвером к источнику питания таким образом, что направление вращения его вала совпадает с направлением вращения вала нагрузочного шагового электродвигателя.