被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)用角加速度計(jì)設(shè)計(jì)
李兵強(qiáng)，林輝，謝世杰
（西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072）
摘要：針對(duì)光電編碼器間接測(cè)最電機(jī)轉(zhuǎn)軸角加速度時(shí)存在易受干擾、計(jì)算量大和存在較大延遲等問(wèn)題，利用牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)第一定律，通過(guò)分析角加速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，將對(duì)角加速度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為列轉(zhuǎn)矩信號(hào)的測(cè)量，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)的角加速度計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該角加速度汁設(shè)計(jì)合理，精度高、溫漂小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，有效解決了被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)角加速度的測(cè)量問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：角加速度計(jì)；電動(dòng)加載；電機(jī)控制；轉(zhuǎn)矩傳感器
中圖分類號(hào)：tm38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018(2010)07-0038-03
0引言
角加速度是角位移對(duì)時(shí)間的二次微分，也是角速度對(duì)時(shí)間的一次微分。角加速度計(jì)是一種測(cè)量角加速度的慣性傳感器，它在汽車、航空航天、工業(yè)、電子等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在慣性傳感器中，角加速度計(jì)沒有像線加速度計(jì)和陀螺那樣受到更大的關(guān)注，因而目前可選的產(chǎn)品種類不夠豐富，并且價(jià)格異常昂貴。
被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)需要進(jìn)行多余力的消除，由文獻(xiàn)[3-4]可知，這需要精確測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸角加速度。在該文獻(xiàn)中，通過(guò)光電編碼器測(cè)得位置信號(hào)，然后進(jìn)行兩次微分獲得角加速度信號(hào)。然而，由于微分的存在，使得系統(tǒng)的抗干擾性交差，存在較大延遲，并且控制器連續(xù)捕獲光電編碼器脈沖將增大控制器的計(jì)算開銷，不利于整個(gè)電動(dòng)加載系統(tǒng)先進(jìn)控制律的使用和控制頻次的增加，大大影響了被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)的控制效果。由文獻(xiàn)[5]可知，除了對(duì)角位置或角速度進(jìn)行微分外，還有后濾波技術(shù)、線性狀態(tài)觀測(cè)器技術(shù)等間接測(cè)量方法，這些方法同樣計(jì)算量大，不利于整個(gè)加載系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的提高。
針對(duì)此問(wèn)題，本文通過(guò)分析與角加速度信號(hào)相關(guān)盼物理量，利用牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)第一定律，將對(duì)角加速度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)這一超高性能電機(jī)控制應(yīng)用的角加速度計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高性能被動(dòng)式電動(dòng)加載奠定了基礎(chǔ)：
l角加速度計(jì)方案
角加速度計(jì)用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)角加速度，從而計(jì)算電動(dòng)加載系統(tǒng)中的多余力[3-4]，因此，角加速度計(jì)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸相連。本方案通過(guò)在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一附加旋轉(zhuǎn)體，通過(guò)測(cè)量附加旋轉(zhuǎn)體與電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的轉(zhuǎn)矩來(lái)估算電機(jī)角加速度，如圖l所示。
1.1角加速度信號(hào)與轉(zhuǎn)矩信號(hào)的關(guān)系
根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)第一定律可知轉(zhuǎn)矩r和轉(zhuǎn)動(dòng)被動(dòng)式電動(dòng)加載系統(tǒng)用角加速度計(jì)：
可見，對(duì)于已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，，通過(guò)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸與附加旋轉(zhuǎn)體之間的轉(zhuǎn)矩，便可計(jì)算出角加速度。
1 2附加旋轉(zhuǎn)體沒計(jì)
附加旋轉(zhuǎn)體采用圓柱體，如圖l所示。設(shè)計(jì)角加速度計(jì)量程為10 000 rad/sz，轉(zhuǎn)矩傳感器量程定為l n．m，由式(1)可得附加旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
令半徑r=25 mm，由圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式：
可求得圓柱體長(zhǎng)度為2= 20. 89 mm，其中m為圓柱體質(zhì)量。
如圖1所示，角加速度計(jì)左端與電機(jī)轉(zhuǎn)軸尾端通過(guò)聯(lián)軸器相連，中間部分為測(cè)量附加旋轉(zhuǎn)體與電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間扭矩的轉(zhuǎn)矩傳感器，采用電橋應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，其設(shè)計(jì)在本文后續(xù)部分將進(jìn)行詳細(xì)分析：角加速度計(jì)右端為一微摩擦軸承，通過(guò)支架固定，防止附加旋轉(zhuǎn)體給轉(zhuǎn)矩測(cè)量部分產(chǎn)生附加徑向載荷，影響測(cè)量精度。
傳感器引線通過(guò)lpt012滑環(huán)與外部相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞。需要說(shuō)明的是，由于壽命問(wèn)題，滑環(huán)對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩測(cè)量并不是一個(gè)很好的解決方案，近來(lái)已經(jīng)逐漸被摒棄，但 |
