可用于无人机及航模设计的拉力-扭矩机械分离机构及电动动力系统测试平台

摘要

本发明提供了一种电动动力测试平台，其特征在于包括：拉力-扭矩机械分离机构(1)，用于承载待测电机(9)的载荷和将扭矩和拉力解耦；传感器测量系统(2)，用于将包括拉力和扭矩的物理量转换为易于测量的模拟电信号；仪表显示系统(3)，用于将所述模拟电信号转化为数字量；数据采集系统(4)，将所述电动动力测试平台的测量数据提供给微型计算机，进行采集和记录。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于无人机及航模设计的拉力-扭矩机械分离机 构及包括它的电动动力系统测试平台，属于航空飞行器总体设计及地面 测试设备的设计领域。

背景技术

无人机，即无人驾驶飞机，是一种有动力驱动，机上无人驾驶，可 重复使用的航空器。近年来由于材料科学、微电子技术、计算机技术的 飞速发展极大地推动了无人机技术的更新换代，无人机也在各个领域得 到广泛的应用。

无人机可以有多种动力形式，包括燃气涡轮喷气发动机、活塞式内 燃机驱动螺旋桨、电动机驱动螺旋桨等。其中电动机驱动螺旋桨的动力 形式具有噪音低、效率高、可控性好、清洁环保等特点，更适用于中小 型无人机。随着近年来无电刷直流电机和大功率电流控制技术的发展， 电动动力系统结构更简单、可靠性更高，被越来越多的中小型无人机采 用。

电动动力系统通常由电池、调速器、电动机、空气螺旋桨组成。相 比其他动力形式，电动动力系统的性能是由各部分指标综合决定的，各 部件的匹配关系对总体性能有较大影响。只有各部件的选择搭配合理时， 所有部件的性能才能得到充分发挥，从而使整个系统性能和效率达到要 求。

无人机在设计阶段一旦决定采用电动动力方案，就需要对备选的动 力系统进行全面地测试，包括不同的电池、调速器、电动机、螺旋桨的 搭配下所能提供的拉力及其对应的转速、扭矩、电压、电流等。其中， 电池的重量影响到飞机的总重量，电池容量和电流大小又影响到飞机的 续航时间，而螺旋桨提供的拉力则直接决定了飞机的推重比，这些关键 的数据对整架无人机的性能有决定性的影响，其准确与否甚至直接影响 到设计研制工作的成败。因此，在设计初期，组建一套简洁、有效、准 确的电动动力系统测试平台是十分必要和关键的。

目前，完成此类工作已有技术主要有以下几种形式：

利用原有的涡轮喷气发动机或者活塞发动机的测试平台。这种方案 较为简单，可以利用原有的设备，节约时间和资金，但是一般的油动动 力测试系统没有例如电压、电流等对电池性能进行测试的功能，从而无 法对电动机效率做出评估。另一方面油动动力通常功率较大，对功率相 对较小的电动动力系统，很难保证测量精度。

利用在其他已有飞机上积累的数据库，靠经验或者估算进行选择， 装机后进行测试，甚至通过飞行试验测试。这种方法主要在小型无人机 和航模的设计制作中应用。对于有丰富研制经验的部门而言，这种方法 较为快速，但是对于新型的飞机和动力系统而言，由于改动较为深入， 其许多特性也许是未知的，直接装机如果性能不符合设计要求，更改动 力配置可能导致整架飞机需要更改设计方案、重新制造，代价会十分高 昂。未知实际性能的动力系统直接进行飞行试验则可能导致严重事故。

于是，随着无人机的发展和电动动力技术的进步，电动动力系统开 始广泛应用于中小型无人机。原有的动力测试技术面临种种局限，要求 一种新的电动动力测试平台来满足无人机研制的需要。

发明内容

本发明的优点包括：

-提供了拉力-扭矩机械分离机构，承载电动机的载荷，同时将扭矩 和拉力解耦后，分别传递给拉力传感器和扭距传感器。

-拉力-扭矩机械分离机构和传感器测量系统具有紧凑的体积，使之 既能保证载荷传递过程中的摩擦尽量小，又保证对螺旋桨气流的阻尼尽 量小。

-搭建二次仪表，将电压和电流进行转换，使平台能准确检测到电 压电流，而不对电动机的工作产生影响，尤其是满足了动力系统电流较 大要用非接触测量消除直接测量带来的电阻损失的要求。

-仪表显示系统和数据采集系统能对测试数据及时准确地采集，进 行实时显示并完整记录。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的电动动力测试平台的总体构造 图。

图2是根据本发明的一个实施例的拉力-扭矩机械分离机构侧向视 图。

图3是根据本发明的一个实施例的拉力-扭矩机械分离机构侧向剖 视图。

图4是根据本发明的一个实施例的拉力-扭矩机械分离机构正等轴 测图。

图5是根据本发明的一个实施例的拉力-扭矩机械分离机构正等轴 测局部剖视图。

图6是根据本发明的一个实施例的拉力-扭矩机械分离机构侧向局 部剖视图。

图7是根据本发明的一个实施例的传感器测量系统构造图。

图8是根据本发明的一个实施例的设备机箱外观图。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的实施例。

平台总体构造

根据本发明的一个实施例的电动动力测试平台的总体构造如图1所 示。该平台包括拉力-扭矩机械分离机构(1)、传感器测量系统(2)、仪表显 示系统(3)、数据采集系统(4)，其中拉力-扭矩机械分离机构(1)、传感器 测量系统(2)安装在测试框架(5)上，测试框架(5)用于安装待测动力系统， 周围安装有可开闭的防护网(51)和导流栅格(52)；仪表显示系统(3)和数据 采集系统(4)安装在设备机箱(6)中，用于显示和采集测量数据。测试框架 (5)和设备机箱(6)之间通过屏蔽线缆(8)连接，设备机箱(6)可以通过USB 电缆连接到微型计算机上，配合相关软件实时监测并记录实验数据。

拉力-扭矩机械分离机构

拉力-扭矩机械分离机构(1)的主要作用是承载电动机的载荷，同时将 扭矩和拉力解耦后，分别传递给拉力传感器(21)和扭矩传感器(22)。根据 本发明的实施例的拉力-扭矩机械分离机构(1)的结构如图2-图6所示。 拉力-扭矩机械分离机构(1)包括安装架(101)、壳体(102)、主轴(103)、主 轴承(2个)(104)、套筒(105)、上连接销垫片(106)、辅助轴承(107)、上连 接销(108)、滑动架上盖板(109)、滑动架支柱(2个)(110)、直线轴承导轨 (4个)(111)、滑动架(112)、直线轴承(4个)(113)、滑动架下盖板(114)、下 连接销(115)、转接轴(116)、转接板(117)。

整个机械系统通过安装架固定在测试框架(5)上，安装架(101)与壳体 (102)连接，壳体中装有扭矩传感器(22)，扭矩传感器(22)的基座与壳体 (102)固连，而另一端与主轴(103)连接，主轴与壳体之间有主轴承(104) 和辅助轴承(107)。滑动架上、下盖板(109、114)将滑动架支柱(110)和直 线轴承导轨(111)连接成一个整体。装有直线轴承(113)的滑动架(112)与转 接轴(116)、转接板(117)以及转接板上安装的待测电机通过螺钉连接成一 个整体，可沿直线轴承导轨滑动。上、下连接销(108、115)之间安装有拉 力传感器(21)。

拉力-扭矩机械分离机构的工作原理是这样的：

测试时，安装有螺旋桨(7)的待测电机(9)安装在转接板(117)上，其运 转时将产生的拉力和扭矩直接传给转接板(117)。转接板上的扭矩经由转 接轴(116)(转接轴和滑动架下盖板(114)不接触)传递给用螺钉与其固连 的滑动架(112)。

拉力传递路线：由于滑动架上四枚直线轴承(113)的存在，滑动架(112) 以极小的摩擦在直线轴承导轨(111)上滑动，导轨几乎不传递轴向载荷， 拉力几乎全部作用在拉力传感器(21)上。经过拉力传感器，拉力经由上连 接销(108)、上连接销垫片(106)、辅助轴承(107)、套筒(105)、主轴(103)、 主轴承(104)、壳体(102)、安装架(101)，最终由测试框架(5)承受。扭矩传 感器(22)通过矩形卡槽与主轴的连接，所以扭矩传感器不承受拉力。

扭矩传递路线：由于拉力传感器(21)顶端连接的上连接销(108)是通 过辅助轴承(107)传递拉力的，与滑动架上盖板(109)、套筒(105)等零件并 无其它接触，辅助主轴承(107)转动摩擦极小，所以拉力传感器(21)不承 受扭矩，扭矩由滑动架上(112)的直线轴承(113)传递给直线轴承导轨 (111)，四根直线轴承导轨经由各自的上下连接点将扭矩传递给由滑动架 上盖板(109)、滑动架支柱(110)、滑动架下盖板(114)组成的一体结构，再 由滑动架上盖板(109)的连接螺钉传递给套筒(105)。由于主轴与壳体间安 装有主轴承(104)，所以套筒上的全部扭矩经主轴(103)全部传递给扭矩传 感器(22)，最终由壳体(102)、安装架(101)传给测试框架(5)承受。

可见，通过这样的机械结构，扭矩全部经过扭矩传感器测量而拉力 传感器不承受扭矩；拉力全部经过拉力传感器测量而扭矩传感器不承受 拉力。待测电机产生的拉力和扭矩通过拉力-扭矩机械分离机构实现独立 测量。

传感器测量系统

传感器测量系统(2)主要用于将拉力、扭矩、转速、电流、电压等物 理量精确地转换为易于测量的电信号，提供给仪表显示系统(3)和数据采 集系统(4)。根据本发明的一个实施例的传感器系统如图7所示，其包括 拉力传感器(21)、扭矩传感器(22)、激光光纤转速传感器(23)、电压变送 器(24)、非接触电流传感器(25)。拉力传感器和(21)扭矩传感器(22)与拉力 -扭矩机械分离机构(1)配合使用；激光光纤转速传感器(23)的测量镜头用 万向光纤支杆(26)连接在测试框架(5)上，可根据待测螺旋桨(7)的大小和 位置调整角度，发射和接受的激光由光纤导入激光光纤转速传感器(23) 中。激光光纤转速传感器(23)、光隔离电压变送器(24)、非接触式直流电 流传感器(25)，都固定在测试框架(5)的侧板上方便与待测设备连接。

仪表显示系统

仪表显示系统(3)安装在设备机箱(6)中。根据本发明的一个实施例的 仪表显示系统(3)如图8所示，其包括电压表(31)、电流表(32)、拉力计(33)、 扭矩仪(34)、转速表(35)，这些仪表分别将测试框架(5)上的传感器传回的 模拟电信号转化为数字量，一方面可显示在面板上供直接判读，另一方 面可通过RS232数据接口提供给数据采集系统(4)，进行动态监测和记录。 各仪表均为“智能仪表”，可以进行参数定义，即可以分别设置每个传感 器的量程、增益、零点调整、小数位等参数，并可以进行非线性校准。 参数的更改可以直接调用仪表菜单，也可以通过RS232接口在PC端用 软件更改。设备机箱(6)还设有脉宽调制信号(PWM)发生器(36)，可以输 出方波脉冲信号直接用于无刷电机调速器的控制。

数据采集系统

数据采集系统(4)的主要作用是将平台的测量数据提供给微型计算 机，进行采集和记录。根据本发明的一个实施例的数据采集系统(4)如图 8所示，其包括设备机箱内的集线器(41)(例如，8端口串口集线器)。集 线器提供可供仪表连接的RS232端口，设备前面板提供了一个USB端口 (42)用于连接微型计算机。

有益效果

相对于传统的无人机动力系统测试方法，本发明设计制造的电动动 力系统测试平台的优点包括：

-更加精密的拉力-扭矩机械分离机构，提高了精度。

各种形式的扭矩传感器和拉力传感器都属于应变类传感器，内部有 精密的应变片。使用中受到额外的力会使传感器测量不准，严重的还会 损坏传感器。对于运转的电动机这类即产生扭矩又产生拉力的测量对象， 本发明设计的拉力-扭矩机械分离机构，能使单个传感器的载荷变得单 一，既保证了精度，又保护了传感器。

-紧凑、小巧的设计，减小了风阻

直接连接待测电机的部分，直接处于螺旋桨的气流中，会对气流产 生阻滞，进而性能到测试精度。本发明紧凑的设计和高精度的加工保证 拉力-扭矩机械分离机构有足够小的体积和迎风面积，把气流阻滞带来的 影响降到最低。

-增加了电力监测，可以测试电机效率

传统的动力测试系统多为针对测试喷气式或活塞式发动机设计，缺 少对电力系统的检测，本发明结合电动动力系统的特点，加入了电压、 电流的测量，可以以此估算电子调速器和电动机的转换效率，而这项指 标在电动无人机设计中是至关重要的。

-采用非接触测量手段，消除传感器的影响

电流测量方面，由于无人机采用的电动动力多数工作在低电压下， 所以电流较大。大功率的电动机持续电流达到数十安培甚至上百安培。 一般的电流传感器通常串联在电路中，如此大的电流必然在传感器上产 生电压降和功率消耗，进而影响测量精度。本发明在电流传感器上采用 了非接触式，即导线只要经过传感器的圆环，就能测量其中经过的电流， 而对电路不需要任何改动，不产生损耗。

转速测量方面，对于高转速部件，通常使用霍尔传感器进行非接触 测量，但需要在电机转轴上贴磁片，在本发明中，由于使用中要频繁更 换测量对象，使用霍尔传感器的做法不再适用。本发明采用了激光光纤 转速传感器，非接触测量转速，既不会对测试对象产生影响，又不用在 实验对象上加装磁片。

-二次仪表测量，方便更改量程和校准零点

本发明所有仪表采用了二次仪表，且仪表均为可更改设置的智能仪 表，可以直接调用菜单或通过RS232数据总线更改仪表各项参数的设置， 可根据需要灵活设置，提高了设备的使用范围。扭矩传感器和拉力传感 器还可以一键归零，极大地方便了测量。

-结合PC进行实时数据采集，提高了动态响应能力

本发明可以通过USB方便地连接PC，进行实时数据采集，最大采 样率达到50Hz，可以对诸如加速性、转速波动之类的动态特性进行测试。 而一般目视读数，人工记录的测量方式无法实现。同时利用PC计算速 度快的优势，结合PC编程，可以通过软件实时计算、显示监测诸如效 率、电量消耗等推导量，实现更丰富的测试功能。

应用实例电动动力系统测试平台在对某一待测电动动力配置进行测 试时，按照平台组成结构，经过解耦、转换、测量、采集四个工作流程， 最终得到测量结果。实施过程如下：

测试前，打开测试框架的防护网(51)，将装有螺旋桨(7)的待测电机(9) 牢固安装在拉力-扭矩机械分离机构(1)下端的转接板(117)上。

调整万向光纤支杆(26)，使激光光纤转速传感器的镜头指向螺旋桨桨 叶(7)或电动机转子，既要足够接近保证激光能顺利反射又要防止运动部 件的刮擦和碰撞，必要时可在运动部件上贴反光材料增强反射光线。接 通仪表电源(43)，拨动桨叶，转速表(35)应有指示。根据桨叶数或反光条 的个数设置仪表。

连接电动机、电子调速器、动力电池、控制器等设备的线路。引电 池电压接电压传感器(24)、将主电源导线穿过电流传感器(25)连接。

拉力计(33)和扭矩仪(34)归零。

用USB电缆将设备连接至PC。

清理测试框架内部及附近地面，关闭防护网。

接通动力电池，启动电动机。测试中，计算机软件界面和设备机箱 上都能实时显示测量参数，可以直观地读取并进行监控。调整控制信号 以测试不同状态下动力系统的各项参数。

测试结束后，可以在计算机上对各项参数进行分析，计算不同配置、 不同状态下电池、电子调速器、电动机、螺旋桨的各方面性能。