一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴和外部的负载固连；角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；控制器利用所述相对转角根据设定的转矩‑转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致，本发明专利技术能够根据扭转刚度的需求，实现对具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的模拟。

A Torsion Spring Simulator and Method Based on Torque Control

The invention discloses a torsion spring simulation device and method based on torque control, including servo motor, angle sensor, controller and torque sensor; output shaft of servo motor and external load fixed connection; angle sensor detects relative rotation angle of stator and rotor of servo motor, and transmits the relative rotation angle to controller; and torque sensor detects transmission of servo motor. The output torque is sent to the controller; the controller obtains the expected output torque of the servo motor by using the relative angle according to the set torque-angle relationship curve; and the expected torque and the output torque are closed-loop controlled to control the current of the servo motor so that the output torque is consistent with the expected torque, and the invention can meet the requirements of the torsional stiffness. The simulation of torsional spring with special torsional stiffness curve is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法
本专利技术属于机电装置领域，具体涉及一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法。
技术介绍
扭转弹簧装置是一种一端固定而另一端作用有扭矩的装置，在扭矩作用下装置会产生变形发生扭转。扭转弹簧装置常采涡卷弹簧、扭杆弹簧等形式。利用螺旋特性或材料特性，当收到外界力矩时产生变形。扭转弹簧根据使用扭矩和刚度需求，通过材料选择、尺寸设计、圈数选择等多方面的综合考虑，设计出具有期望扭转刚度的弹簧，通过制造加工后，经过试验测试得到真实的扭转刚度，并进行迭代设计，得到期望的扭转刚度。随着需求的增加，扭转弹簧应用越来越多，扭转弹簧的刚度特性对机电系统的影响也开始被人关注。为了研究不同刚度特性的扭簧在机电系统中的响应情况，可以通过选用不同的扭转弹簧进行试验分析。对于某些机电系统，人们又希望能有一种扭矩与转角满足一定曲线关系的扭簧，以满足特定的设计要求。而目前传统的扭转弹簧多采用制造工艺，其加工容易受到材料、设备的影响，很难制造出满足设计需求的扭转弹簧，且设计成本较高、设计周期长；对于有特殊扭转刚度需求的装置很难设计或者根本无法实现，无法满足特定应用场合的要求；单一弹簧对应特定扭转刚度，无法适应不同的应用场合。随着电子电力技术的进步，电机伺服控制技术也有了快速发展。力矩电机因其转速低、力矩大、运行平稳等特点得到了广泛应用。配置的位置传感器具有很高精度，可以满足位置采集精度的需求。其控制方法简单，可针对力矩(电流)、速度、位置进行控制，并可以根据使用需求，通过软件修改实现对相应曲线的跟踪。利用力矩电机的力矩控制特点，通过设计力矩电机转角和输出力矩的对应关系，可以实现扭转刚度的模拟，这为模拟扭转弹簧提供了新的解决思路。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置和方法，能够根据扭转刚度的需求，实现对具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的模拟。实现本专利技术的技术方案如下：一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴和外部的负载固连；角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；控制器利用所述相对转角根据设定的转矩-转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。进一步地，所述装置还包括旋转机构，所述旋转机构与伺服电机的定子固连。一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟方法，包括以下步骤：步骤一，伺服电机通过角度传感器检测电机转子与定子之间的相对转角；步骤二，在控制器中设定拟模拟的扭转刚度曲线，即转矩-转角关系曲线，根据所述相对转角，得出伺服电机应输出的期望转矩；步骤三，转矩传感器采集伺服电机输出轴的输出转矩；步骤四，控制器控制伺服电机的电流，使输出转矩与期望转矩一致。有益效果：本专利技术装置能够实现对不同刚度曲线的模拟；相比于扭转弹簧、扭杆弹簧等方式，该装置结构紧凑、使用灵活。附图说明图1基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置图2基于转矩控制的扭转弹簧模拟控制流程其中，100-伺服电机，101-伺服电机的转子，102-伺服电机的定子，103-伺服电机的输出轴，104-角度传感器，200-控制器，300-转矩传感器，301-刚性联轴器。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，通过角度传感器检测伺服电机转子和定子之间的相对转角，按照给定的扭矩-转角关系确定电机的期望输出扭矩，通过转矩传感器测量伺服电机的实际输出扭矩，通过力闭环控制实现对扭矩的跟踪，达到与扭转弹簧扭转刚度一致的效果，从而实现对扭转弹簧的模拟。如图1所示本专利技术装置包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴103通过刚性联轴器301和外部的负载固连，伺服电机的输出轴103与伺服电机的转子101刚性连接。角度传感器104检测伺服电机的定子102和转子101的相对转角，并将该相对转角发送给控制器200。转矩传感器300安装在伺服电机的输出轴103上，检测伺服电机100的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器200；控制器200利用所述相对转角根据设定的转矩-转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。上述方案中伺服电机定子102固定，此时负载转矩的变化会引起伺服电机的转子101与定子102的相对转角变化，从而使伺服电机100输出与预先设定的扭转刚度对应的转矩，模拟出负载在设置扭转刚度下的固有特性。所述装置还包括旋转机构，所述旋转机构与伺服电机的定子102固连。伺服电机的定子102与旋转机构连接，此时伺服电机的定子102随旋转机构转动，引起伺服电机的转子101与定子102的相对转角变化，通过角度传感器104获得转子101与定子102的相对角度并传递至控制器200，控制器200根据预先设置的扭转刚度曲线计算伺服电机100应输出的期望转矩，同时采集转矩传感器300测量的电机实际输出转矩，与期望转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机100的电流使电机实际输出转矩与期望转矩一致，从而模拟出旋转机构与负载之间的扭矩刚度特性；本专利技术方法可对不同扭转刚度曲线的扭转弹簧进行模拟，为工程应用提供具有特殊扭转刚度曲线要求的扭转弹簧的解决方法。如图2所示，包括以下步骤：步骤一，伺服电机通过角度传感器检测电机转子与定子之间的相对转角；步骤二，在控制器中设定拟模拟的扭转刚度曲线，即转矩-转角关系曲线，根据所述相对转角，得出伺服电机应输出的期望转矩；步骤三，转矩传感器采集伺服电机输出轴的输出转矩；步骤四，控制器控制伺服电机的电流，使输出转矩与期望转矩一致。完成步骤四后，再返回步骤一，如此循环。在上述循环过程中，可实现对扭转弹簧的模拟。综上所述，以上仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，其特征在于，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴和外部的负载固连；角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；控制器利用所述相对转角根据设定的转矩‑转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。

【技术特征摘要】
1.一种基于转矩控制的扭转弹簧模拟装置，其特征在于，包括伺服电机、角度传感器、控制器和转矩传感器；伺服电机的输出轴和外部的负载固连；角度传感器检测伺服电机的定子和转子的相对转角，并将该相对转角发送给控制器；转矩传感器检测伺服电机的输出转矩，并将该输出转矩发送给控制器；控制器利用所述相对转角根据设定的转矩-转角关系曲线得到伺服电机应输出的期望转矩；并将期望转矩与所述输出转矩进行力矩闭环控制，控制伺服电机的电流使输出转矩与期望转矩一致。2.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，张沛，华耿湃，彭柯沁，危清清，陈磊，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11