[發明專利]一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬裝置和方法

有效

• 申請號: 201810826251.3
• 申請日: 2018-07-25
• 公開（公告）號: CN109186900B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 劉鑫;張沛;華耿湃;彭柯沁;危清清;陳磊
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;仇蕾安

本發明公開一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬裝置和方法，包括伺服電機、角度傳感器、控制器和轉矩傳感器；伺服電機的輸出軸和外部的負載固連；角度傳感器檢測伺服電機的定子和轉子的相對轉角，并將該相對轉角發送給控制器；轉矩傳感器檢測伺服電機的輸出轉矩，并將該輸出轉矩發送給控制器；控制器利用所述相對轉角根據設定的轉矩?轉角關系曲線得到伺服電機應輸出的期望轉矩；并將期望轉矩與所述輸出轉矩進行力矩閉環控制，控制伺服電機的電流使輸出轉矩與期望轉矩一致，本發明能夠根據扭轉剛度的需求，實現對具有特殊扭轉剛度曲線要求的扭轉彈簧的模擬。

技術領域

本發明屬于機電裝置領域，具體涉及一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬裝置和方法。

背景技術

扭轉彈簧裝置是一種一端固定而另一端作用有扭矩的裝置，在扭矩作用下裝置會產生變形發生扭轉。扭轉彈簧裝置常采渦卷彈簧、扭桿彈簧等形式。利用螺旋特性或材料特性，當收到外界力矩時產生變形。扭轉彈簧根據使用扭矩和剛度需求，通過材料選擇、尺寸設計、圈數選擇等多方面的綜合考慮，設計出具有期望扭轉剛度的彈簧，通過制造加工后，經過試驗測試得到真實的扭轉剛度，并進行迭代設計，得到期望的扭轉剛度。

隨著需求的增加，扭轉彈簧應用越來越多，扭轉彈簧的剛度特性對機電系統的影響也開始被人關注。為了研究不同剛度特性的扭簧在機電系統中的響應情況，可以通過選用不同的扭轉彈簧進行試驗分析。對于某些機電系統，人們又希望能有一種扭矩與轉角滿足一定曲線關系的扭簧，以滿足特定的設計要求。而目前傳統的扭轉彈簧多采用制造工藝，其加工容易受到材料、設備的影響，很難制造出滿足設計需求的扭轉彈簧，且設計成本較高、設計周期長；對于有特殊扭轉剛度需求的裝置很難設計或者根本無法實現，無法滿足特定應用場合的要求；單一彈簧對應特定扭轉剛度，無法適應不同的應用場合。

隨著電子電力技術的進步，電機伺服控制技術也有了快速發展。力矩電機因其轉速低、力矩大、運行平穩等特點得到了廣泛應用。配置的位置傳感器具有很高精度，可以滿足位置采集精度的需求。其控制方法簡單，可針對力矩(電流)、速度、位置進行控制，并可以根據使用需求，通過軟件修改實現對相應曲線的跟蹤。利用力矩電機的力矩控制特點，通過設計力矩電機轉角和輸出力矩的對應關系，可以實現扭轉剛度的模擬，這為模擬扭轉彈簧提供了新的解決思路。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬裝置和方法，能夠根據扭轉剛度的需求，實現對具有特殊扭轉剛度曲線要求的扭轉彈簧的模擬。

實現本發明的技術方案如下：

一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬裝置，包括伺服電機、角度傳感器、控制器和轉矩傳感器；

伺服電機的輸出軸和外部的負載固連；

角度傳感器檢測伺服電機的定子和轉子的相對轉角，并將該相對轉角發送給控制器；

轉矩傳感器檢測伺服電機的輸出轉矩，并將該輸出轉矩發送給控制器；

控制器利用所述相對轉角根據設定的轉矩-轉角關系曲線得到伺服電機應輸出的期望轉矩；并將期望轉矩與所述輸出轉矩進行力矩閉環控制，控制伺服電機的電流使輸出轉矩與期望轉矩一致。

進一步地，所述裝置還包括旋轉機構，所述旋轉機構與伺服電機的定子固連。

一種基于轉矩控制的扭轉彈簧模擬方法，包括以下步驟：

步驟一，伺服電機通過角度傳感器檢測電機轉子與定子之間的相對轉角；

步驟二，在控制器中設定擬模擬的扭轉剛度曲線，即轉矩-轉角關系曲線，根據所述相對轉角，得出伺服電機應輸出的期望轉矩；

步驟三，轉矩傳感器采集伺服電機輸出軸的輸出轉矩；

步驟四，控制器控制伺服電機的電流，使輸出轉矩與期望轉矩一致。