动压陀螺马达力矩测量系统的设计
焦智
摘 要： 以工控机、马达力矩测量平台、数据采集卡为核心，设计了一种新型动压陀螺马达力矩测量系统，能够实时动态地对加速度计（陀螺）动压马达启动时的静摩擦转矩及运转时动摩擦转矩进行精确测量。同时，基于LabVIEW软件平台完成了系统软件设计，实现了动压陀螺马达力矩、转速、电流、电压等数据的实时采集及实时曲线显示。该系统可实现对马达性能的实时监控，完成无人值守的自动化测试。
关键词： 陀螺马达； 力矩测量系统； 数据采集； 实时监控
中图分类号： TN02?34； TM93 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0125?04
Abstract： A new torque measuring system of the dynamic pressure gyro motor was designed by taking the industrial personal computer， motor torque measuring platform and data acquisition card as the cores， which can accurately measure the static friction torque when the dynamic pressure gyro motor is started in real time， and the dynamic friction torque when the dynamic pressure gyro motor is running in real time. The system software was designed on the basis of LabVIEW software platform to realize the real?time acquisition and curve display of the torque， rotate speed， current， voltage and other data of the dynamic pressure gyro motor. The system can monitor the performance of the motor in real time， and accomplish the unattended automatic test.
Keywords： gyro motor； torque measuring system； data acquisition； real?time monitoring
动压陀螺马达是陀螺仪的重要部件，其内部采用独特的悬浮技术，具有精度高、功耗低、寿命长及可靠性高等特点。动压陀螺马达不同于一般的小功率驱动马达，其转子在马达驱动下做高速转动时，小间隙中的气膜产生动压力，使转子同球體脱离机械接触，在自重或加速度过载作用下保持转子在空间稳定。因此，在设计动压陀螺马达时应保证马达通电后能产生足够大的起动力矩，使轴承能迅速克服干摩擦而脱离球体，形成气膜，以免损坏轴承[1?4]。由于动力矩正比于电压值的平方，所以在实际设计中采取的具体措施是将起动电压提高到2～6倍工作电压。因此，力矩的测试对于研究动压陀螺马达性能、保证系统可靠运行极其重要[5?9]。
1 力矩测量原理
采用应变片电测技术的传感器在弹性轴上组成应变桥，只要向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变电信号经放大、压/频转换后即可得到与扭应变成正比的频率信号[10?13]。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件框图
根据动压陀螺马达的测试性能要求，力矩测量系统需完成对陀螺马达启动时最大静摩擦转矩及匀速转动时动摩擦转矩的测量，系统的主要技术指标包括：测量转矩范围为10～50 gcm；检测精度（误差）≤1%；转速条件为5 000 r/min。常用的力矩测量平台主要由力矩传感器、气缸、空气主轴、被测轴及传动主轴等几部分组成，其结构如图2所示。电机与负载相连，力矩传感器通过空气主轴与被测轴相连，传动主轴负责传递动压陀螺马达的转矩，通过力矩传感器即可测得马达转动的力转矩[14?15]。
本文设计的动压陀螺马达力矩测量系统主要由工控机、数据采集卡、马达力矩测量平台、力矩测量传感器、转速测量传感器、动压马达供电电源、键盘、显示器、通信接口、马达接口电路及电压电流传感变送器等模块组成，系统框图如图3所示。
2.2 主控制器
系统以研华公司的ARK?3440工控机为主控制器，主要完成系统实时控制及数据传输等功能。工控机既要接收数据采集卡采集的三相电压及电流等模拟信号，又要接收力矩测量传感器及转速传感器的数字脉冲信号，并对实时采集的各种信号进行处理，计算电机的转速、力矩值及三相电压/电流值并送显示器显示（研华公司19寸触屏FPM?3191G显示器）。
2.3 数据采集卡
数据采集卡选用美国NI公司PCI?6259，采样率为1.25 MS/s，采样位数为16 b；32路模拟输入；48路数字I/O；4个16位模拟输出；2路32位计数器。本测试系统选用3路模拟输入对电机负载的三相电流量进行测量，3路模拟输入对电源电压进行测量。2路32位的计数器用于力矩测量和电机转速测量。
2.4 力矩测量范围
力矩测量传感器量程范围为0～0.05 N·m；精度为±0.2%；转速范围为0～6 000 r/min；环境温度为-20～60 ℃；频率响应为100 μs；传感器直接输出的频率信号为5～15 kHz。电压传感器变送器、电流传感器变送器、功率传感器变送器均选用沈阳仪表科学研究院系列产品，工作稳定、工作温度范围宽、隔离性能好、输出均为4～20 mA的直流电流、精度等级均为0.5级，满足系统指标要求。
摘 要： 以工控机、马达力矩测量平台、数据采集卡为核心，设计了一种新型动压陀螺马达力矩测量系统，能够实时动态地对加速度计（陀螺）动压马达启动时的静摩擦转矩及运转时动摩擦转矩进行精确测量。同时，基于LabVIEW软件平台完成了系统软件设计，实现了动压陀螺马达力矩、转速、电流、电压等数据的实时采集及实时曲线显示。该系统可实现对马达性能的实时监控，完成无人值守的自动化测试。
关键词： 陀螺马达； 力矩测量系统； 数据采集； 实时监控
中图分类号： TN02?34； TM93 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0125?04
Abstract： A new torque measuring system of the dynamic pressure gyro motor was designed by taking the industrial personal computer， motor torque measuring platform and data acquisition card as the cores， which can accurately measure the static friction torque when the dynamic pressure gyro motor is started in real time， and the dynamic friction torque when the dynamic pressure gyro motor is running in real time. The system software was designed on the basis of LabVIEW software platform to realize the real?time acquisition and curve display of the torque， rotate speed， current， voltage and other data of the dynamic pressure gyro motor. The system can monitor the performance of the motor in real time， and accomplish the unattended automatic test.
Keywords： gyro motor； torque measuring system； data acquisition； real?time monitoring
动压陀螺马达是陀螺仪的重要部件，其内部采用独特的悬浮技术，具有精度高、功耗低、寿命长及可靠性高等特点。动压陀螺马达不同于一般的小功率驱动马达，其转子在马达驱动下做高速转动时，小间隙中的气膜产生动压力，使转子同球體脱离机械接触，在自重或加速度过载作用下保持转子在空间稳定。因此，在设计动压陀螺马达时应保证马达通电后能产生足够大的起动力矩，使轴承能迅速克服干摩擦而脱离球体，形成气膜，以免损坏轴承[1?4]。由于动力矩正比于电压值的平方，所以在实际设计中采取的具体措施是将起动电压提高到2～6倍工作电压。因此，力矩的测试对于研究动压陀螺马达性能、保证系统可靠运行极其重要[5?9]。
1 力矩测量原理
采用应变片电测技术的传感器在弹性轴上组成应变桥，只要向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变电信号经放大、压/频转换后即可得到与扭应变成正比的频率信号[10?13]。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件框图
根据动压陀螺马达的测试性能要求，力矩测量系统需完成对陀螺马达启动时最大静摩擦转矩及匀速转动时动摩擦转矩的测量，系统的主要技术指标包括：测量转矩范围为10～50 gcm；检测精度（误差）≤1%；转速条件为5 000 r/min。常用的力矩测量平台主要由力矩传感器、气缸、空气主轴、被测轴及传动主轴等几部分组成，其结构如图2所示。电机与负载相连，力矩传感器通过空气主轴与被测轴相连，传动主轴负责传递动压陀螺马达的转矩，通过力矩传感器即可测得马达转动的力转矩[14?15]。
本文设计的动压陀螺马达力矩测量系统主要由工控机、数据采集卡、马达力矩测量平台、力矩测量传感器、转速测量传感器、动压马达供电电源、键盘、显示器、通信接口、马达接口电路及电压电流传感变送器等模块组成，系统框图如图3所示。
2.2 主控制器
系统以研华公司的ARK?3440工控机为主控制器，主要完成系统实时控制及数据传输等功能。工控机既要接收数据采集卡采集的三相电压及电流等模拟信号，又要接收力矩测量传感器及转速传感器的数字脉冲信号，并对实时采集的各种信号进行处理，计算电机的转速、力矩值及三相电压/电流值并送显示器显示（研华公司19寸触屏FPM?3191G显示器）。
2.3 数据采集卡
数据采集卡选用美国NI公司PCI?6259，采样率为1.25 MS/s，采样位数为16 b；32路模拟输入；48路数字I/O；4个16位模拟输出；2路32位计数器。本测试系统选用3路模拟输入对电机负载的三相电流量进行测量，3路模拟输入对电源电压进行测量。2路32位的计数器用于力矩测量和电机转速测量。
2.4 力矩测量范围
力矩测量传感器量程范围为0～0.05 N·m；精度为±0.2%；转速范围为0～6 000 r/min；环境温度为-20～60 ℃；频率响应为100 μs；传感器直接输出的频率信号为5～15 kHz。电压传感器变送器、电流传感器变送器、功率传感器变送器均选用沈阳仪表科学研究院系列产品，工作稳定、工作温度范围宽、隔离性能好、输出均为4～20 mA的直流电流、精度等级均为0.5级，满足系统指标要求。
