一种经济实用型步进电机牵出扭矩特性自动测试装置

摘要

本发明公开了一种经济实用型步进电机牵出扭矩特性自动测试装置，包括安装在平台上的待测步进电机、左半轴与电机联接的扭矩加载测量装置以及由单片机和驱动器组成的控制系统。所述扭矩加载测量装置的右半轴通过连接器固连在支架上，扭簧套连在右半轴上，扭簧左端固连在左半轴的固定孔中，固连在右半轴上的止推螺栓则通过转扭簧右端进行加载。安装在左半轴上的编码器检测左半轴相对右半轴的转角，并由控制系统将其转成负载扭矩。控制系统的两个单片机协作完成电机位置、速度和运动方向的读取与控制，并判断电机是否丢步。主控程序能启动测试，读取和控制单片机，并将测试数据自动保存。本发明不仅结构简单成本低，并能一键完成所有测试，操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试装置，属于机械电子测量技术领域，尤其涉及一种经济实用型步进电机迁出扭矩特性的自动测试装置。

背景技术

目前，步进电机的应用领域越来越广泛，在机械、电子、纺织等行业应用普遍。如3D打印机。

当步进电机力矩输出扭矩及速度不足以克服负载时，就会造成步进电机运转失步。即电机运转时运转的步数，不等于理论控制上的步数，称之为失步。这时会造成控制不准确，所以在很多场合下需要额外的角度测量装置来进行步进电机角度或速度的测量。

如果能够得到步进电机的牵出力矩输出特性曲线，则可以通过控制让步进电机工作在额定的速度扭矩下，保证控制的精确性并减少系统的复杂程度。因此，测量步进电机的扭矩特性是很有必要的。

目前的步进电机扭矩特性的测量方法有的过于繁琐，有的过于复杂而导致成本较高。以往的扭矩测量结构有的结构简单，但是操作繁琐，比如常见的一种传统测量方式是将重物挂在步进电机上，电机可以抬起的最大重物会被转化为最大扭矩。还有一种方法是基于前一种测量方法的改进，即利用杠杆原理，改变杠杆长度而无需改变重物的重量。这两种方法结构和操作都相对简单，但是却需要大量的人工重复测量，不断地改变负载和速度。而目前设计出来的操作简单的步进电机扭矩测量设备，都存在结构复杂价格昂贵的问题，如专利文献1中的汽车空调步进电机力矩输出特性测量系统(中国专利申请号：CN201410426069)，专利文献2中的电机扭矩测试设备(中国专利申请号：(CN201610415120)。这两个系统和设备的操作相对简单，但结构均较为复杂，制造成本高。

发明内容

本发明针对牵出力矩输出特性测量的难题，给出了一种经济实用型的牵出力矩输出特性曲线的测量装置。

本发明的扭矩测量装置简单而巧妙地完成步进电机扭矩特性的测量，因此成本低廉，结构简单。并且测试过程完全自动完成，得到不同负载下的最大牵出扭矩，并可自动绘制牵出扭矩特性曲线。

本发明采用以下技术方案：

一种经济实用型步进电机牵出扭矩特性自动测试装置，包括机械装置和控制系统；所述机械装置包括待测步进电机，所述待测步进电机与电机支架通过螺栓固定连接，所述电机支架固定安装在底板上；所述待测步进电机的输出轴与联轴器一端固定连接，所述联轴器另一端与扭矩加载与测量机构固定连接；所述扭矩加载与测量机构左半轴固定安装有中空编码器，所述中空编码器检测部分通过编码器支架固定安装在底板上；扭矩加载与测量机构左半轴和右半轴分别通过轴承和连接器安装在左支架和右支架上，左支架和右支架分别顺序固连在底板上，步进电机驱动器、一号单片机及二号单片机分别顺序固定安装在底板上，所述连接器和右支架通过固连柱销固定连接；所述控制系统包括控制系统中需要的一号单片机、二号单片机和MATLAB总控系统。

进一步的，所述扭矩加载与测量机构为右半轴右端通过固连柱销和柱销孔与连接器固连，右半轴左端通过封闭盖和左半轴轴孔安装在左半轴整体上，左半轴整体可与右半轴相互转动，扭簧套连在右半轴上，扭簧左端固连在左半轴的扭簧固定孔中，固连在右半轴上的止推螺栓则通过两半轴相互转动推动扭簧的右端扭转扭簧进行加载。

进一步的，所述一号单片机用于检测电机索引位置、控制电机的运动速度，改变电机的运动方向并和MATLAB及二号单片机发生通讯；所述二号单片机用于读取编码器的信号，计算当前编码器运转的速度，并根据编码器信号和电机的控制信号对比判断电机是否丢步，并和MATLAB及一号单片机发生通讯。

进一步的，所述MATLAB控制系统用于通过给两个单片机发送控制信号，启动整个自动测试系统，并从编码器单片机中读取编码器的速度和位置信号，根据编码器位置计算扭簧扭矩，在每次测试结束时自动保存运动数据及绘制步进电机的扭矩特性曲线。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明设计了一种经济实用型步进电机牵出扭矩特性自动测试装置，包括一个基于扭矩弹簧和编码器的装置，将集扭矩加载、扭矩测量、丢步测量、速度测量于一体。相比于以往的扭矩特性测量装置，该发明的测量装置结构简单、成本低。该发明通过点击开始键，即可自动完成整个测试过程，包括扭矩的加载和改变、扭矩测量和最终的特性曲线绘制，一步到位。因此该发明解决了以往扭矩特性测量机构或操作复杂，或成本昂贵的问题，做到了既操作简单又成本低廉。一次点击完成整体测试，简单方便快速。

附图说明

图1为本发明实施例提供的步进电机扭矩特性测试装备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的扭矩加载与测量机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的步进电机扭矩特性测试装备的正视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的步进电机扭矩特性测试装备的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的扭矩加载与测量机构的二维工程图；

图6为本发明实施例提供的控制系统逻辑框图；

图7为本发明实施例提供的MATLAB控制逻辑流程图；

图8为本发明实施例提供的步进电机单个测试循环的运动逻辑图；

图9为本发明实施例提供的一号单片机的控制逻辑流程图；

图10为本发明实施例提供的二号单片机的控制逻辑流程图。

图中：1：底板；2：待测步进电机；3：电机支架；4：联轴器；5：中空编码器；6：编码器支架；7：扭矩加载与测量机构；7-1：左半轴整体；7-2：扭簧；7-3：封闭盖；7-4：柱销孔；7-5：右半轴；7-6：止推螺栓；7-7：扭簧固定孔；7-8：左半轴轴孔；8：左支架；9：右支架；10：轴承；11：步进电机驱动器；12：一号单片机；13：二号单片机；14：固连柱销；15：连接器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-10所示本发明实施例所提供的一种经济实用型步进电机牵出扭矩特性自动测试装置，其特征在于：包括机械装置和控制系统；所述机械装置包括待测步进电机2，所述待测步进电机2与电机支架3通过螺栓固定连接，所述电机支架3固定安装在底板1上；所述待测步进电机2的输出轴与联轴器4一端固定连接，所述联轴器4另一端与扭矩加载与测量机构7固定连接；所述扭矩加载与测量机构7左半轴固定安装有中空编码器5，所述中空编码器5检测部分通过编码器支架6固定安装在底板1上；扭矩加载与测量机构7左半轴和右半轴分别通过轴承10和连接器15安装在左支架8和右支架9上，左支架8和右支架9分别顺序固连在底板1上，步进电机驱动器11、一号单片机12及二号单片机13分别顺序固定安装在底板1上，所述连接器15和右支架9通过固连柱销14固定连接；所述控制系统包括控制系统中需要的一号单片机12、二号单片机13和MATLAB总控系统。

进一步的，所述扭矩加载与测量机构7为右半轴7-5右端通过固连柱销14和柱销孔7-4与连接器15固连，右半轴7-5左端通过封闭盖7-3和左半轴轴孔7-8安装在左半轴整体7-1上，左半轴整体7-1可与右半轴7-5相互转动，扭簧7-2套连在右半轴7-5上，扭簧7-2左端固连在左半轴的扭簧固定孔7-7中，固连在右半轴7-5上的止推螺栓7-6则通过两半轴相互转动推动扭簧7-2的右端扭转扭簧7-2进行加载。

进一步的，所述一号单片机12用于检测电机索引位置、控制电机的运动速度，改变电机的运动方向并和MATLAB及二号单片机13发生通讯；所述二号单片机13用于读取编码器的信号，计算当前编码器运转的速度，并根据编码器信号和电机的控制信号对比判断电机是否丢步，并和MATLAB及一号单片机发生通讯。

进一步的，所述MATLAB控制系统用于通过给两个单片机发送控制信号，启动整个自动测试系统，并从编码器单片机中读取编码器的速度和位置信号，根据编码器位置计算扭簧扭矩，在每次测试结束时自动保存运动数据及绘制步进电机的扭矩特性曲线。

本发明实施例提供一种步进电机扭矩特性测试装置，其核心改进点在于，扭矩加载、测量和测试的机构。

如图1所示，步进电机、基于扭簧的扭矩测试装置都通过支架安装在底板上。

步进电机通过联轴器连接在后面的测试装置上。联轴器为膜片弹簧联轴器，以适应一定范围的形位误差。

基于扭簧的扭矩测试装置如图2所示，扭簧的左端通过壳体上的扭簧固定孔固定安装在与电机连接的左轴上，而扭簧的右端则与安装在右轴上的螺栓发生干涉，也就是螺栓会限制扭簧的运动。

当步进电机以一定的速度旋转时，带动连接在同一个轴上的扭簧旋转。而此时右轴为静止状态。因为螺栓的作用，扭簧发生形变，产生力矩。通过扭簧的形变大小，即可计算得出当前的扭矩为多少。

扭矩计算需通过不丢步情况下，编码器记录的角度运动位置信息来进行计算。

基于扭簧的扭矩测试装置的二维工程图如图5所示。

该发明的控制系统逻辑框图如图6所示。从该图中可以看出信号的传递和控制逻辑关系。编码器的A、B信号线向二号单片机传输编码器的位置，I信号线向一号单片机传递编码器的索引位置。

该发明中使用两个单片机，其原因主要是步进电机速度控制要精确。而检测编码器的信号需要通过中断，如果用一个单片机就会影响到电机的控制脉冲，造成混淆并会使步进电机速度控制不准确。

自动测试通过点击MATLAB程序中的运行按钮开始。MATLAB中的控制流程图如图7所示。在初始设置完成后，MATLAB通过给二号单片机发送启动指令，使一号单片机开始运用相应的测试程序。在运用过程中，MATLAB主要进行的工作使读取来自二号单片机的串口数据。

数据主要包括编码器的旋转速度和二号单片机检测到的步进电机丢步时编码器的位置。

因为编码器和步进电机固定在同一个轴上，因此编码器的旋转速度就是步进电机的旋转速度。

此外，根据丢步时编码器的位置信息，可通过运算得出丢步时扭簧的扭矩，也就是步进电机在一定旋转速度下的最大扭矩。

当MATLAB读取到二号单片机发送过来的结束信号时，MATLAB会自动停止测试，并将绘图窗口关闭，将结果自动保存到excel中。

在MATLAB中可以设置不同的步进电机驱动模式，即整步、半步、细分的驱动模式。因此本发明可以测试在不同步长下的步进电机扭矩特性。

步进电机的单片机收到信号之后，即可对步进电机的步长进行控制，进行相应的测试。

步进电机的一个测试周期运动过程图如图8所示。未加载之前，由于扭簧7-2的作用，扭矩加载与测量机构7处于零负载状态，主控计算机发送开始运行指令后，一号单片机12控制待测步进电机2带动左半轴整体7-1及安装在其上面的编码器码盘反向旋转寻找中空编码器5的索引位置，当到达索引位置后，待测步进电机2将正向运转加速至零负载位置达到目标速度，然后保持目标速度旋转对扭矩加载与测量机构7进行加载，当二号单片机13检测到中空编码器5输出位置与待测步进电机2不同步时，即断定电机2丢步，二号单片机13将丢步位置及电机2速度发送至主控计算机，同时发送信号至一号单片机12使其控制电机2返回索引位置并改变速度开始下一个测试循环。

根据步进电机的测试循环，负责步进电机控制的一号单片机的控制逻辑如图9所示，初始化设置完成后，首先根据MATLAB发来的步长信号进行速度参数设置。一号单片机可以控制电机的运动方向和运动速度，同时也接受来自编码器I口的索引位置信号。

一号单片机通过中断程序听取来自编码器的信号，当编码器到达索引位置时，一号单片机会设置一个索引位置信号。一号单片机识别后，就会改变步进电机的运动方向。通过会发送信号给二号单片机，让二号单片机在软件上重置编码器的位置信号。

此外，一号单片机通过另一个中断程序听取来自二号单片机的丢步信号。当听取到丢步信号之后，就会在一号单片机当中设置改变电机方向的信号指令，让主程序控制步进电机转向。

若步进电机还未丢步，则一号单片机的作用是控制步进电机的速度。每个循环中，步进电机都有一个目标速度，为了测得该目标速度下的最大扭矩，步进电机通过加速达到目标速度后保持匀速，直到扭簧达到最大扭矩。

二号单片机的控制逻辑如图10所示，初始化设置完成后，首先根据MATLAB发来的步长信号进行速度参数设置。

当检测到MATLAB发来的开始测试信号时，二号单片机通知一号单片机开始进行测试。

二号单片机的主要功能是读取编码器的脉冲信号，实时获取编码器的位置。

当脉冲数量足够时，即可计算得出编码器的速度。

当二号单片机检测到的编码器输出脉冲信号和一号单片机的输入控制信号一致，则步进单机正常运转，当两个信号不一致时，则可判断为步进电机发生丢步。其中，一号单片机的步进电机控制信号通过中断传递到二号单片机。

当二号单片机检测到步进电机丢步之后，则当将循环结束信号通知给二号单片机，并将电机速度和电机位置以串口通讯发送给MATLAB。

当步进电机堵转时，测试终止。当检测到编码器的输出脉冲信号为零，则判断为电机堵转。之后通知单片机和MATLAB，终止测试。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。