有限转角力矩电机电流-转角特性测试方法

李 珊，卢 强，彭 亮，张梦文

(西安微电机研究所有限公司，西安 710117)

0 引 言

有限转角力矩电机是一种能在一定转角范围内转动，并有一定力矩输出的特殊电机，该类电机可直接作为伺服控制系统的驱动元件，具有结构简单、可靠、易于控制，动态响应好等优点。它广泛的使用于航空伺服阀、卫星天线、导弹舵机、机器人关节、激光反射镜等有限转角驱动装置的位置伺服控制系统中。在某些应用场合，如液压阀中，通过油门的开启大小控制液压油流量大小，控制油阀开启过程的电机电流与油门开启的角度成正比。为了满足精确控制油阀，需要测量有限转角力矩电机的电流-转角特性。国外军用标准有专门的电机标准，但是具体的参数测量方法很少公开，属于技术保密状态。而我们国内的军用标准中未涉及有限转角电机电流-转角特性测试这一项目，所以针对这种情况，测试方法只能由我们自行研究，提出有限转角力矩电机电流-转角特性测试方法。

1 电流-转角特性定义

GJB2822-97《有限转角力矩电动机通用规范》中未提及电流-转角特性这一项目，也没有测试方法。参考GJB2822-97《有限转角力矩电动机通用规范》4.7.16中转矩-电流特性的定义结合有限转角力矩电动机实际使用，给出转角-电流特性定义，按电机专用技术条件接线，施加给定电流I时电机偏转角θ，在规定最大电流下尽量选取多点测试，作θ=f(I)曲线。

以某31机座号有限转角力矩电机为例，其电流转角特性输出斜率理论值为：28.5°/A，电流-转角特性斜率公式如下:

θ=kθI

(1)

式中，kθ为电流-转角特性输出斜率;I为电流;θ为转角。

根据式(1)及理论斜率计算可得某31机座号有限转角力矩电机常温下理论电流-转角特性，如表1所示。

表1 理论电流-转角特性

2 电流-转角特性测试方法

2.1 三坐标测量法

任何图形都是由三维空间点组成的，所有几何量测量都可以归结为三维空间点的测量。三坐标是建立在对工件进行坐标系数值采集的基础上，通过建立在空间几何基础上的软件模块运算，迅速得出所要的结果。

三坐标测量：将被测零件放入允许的测量空间范围内，探针接触测试平面，在平面多点采集，计算机自动拟合采集点形成平面，最终显示测量平面在空间三个坐标位置的数值。转动平面，重复上次的操作，得出新平面的在空间三个坐标位置的数值，三坐标的专用测试软件直接计算出平面之间的夹角，此夹角就是电机的偏转角。

电机放置在三坐标测试平台的有效测试范围内，固定电机，保证电机不发生二次移动，防止造成测试误差。给有限转角力矩电动机施加电流，电机转轴开始偏转，由于电机转轴是光轴且连续运动旋转，三坐标无法确定基准平面和测试点。因此设计出如图1所示的工装与电机连接，给电机转轴做平面联轴器，抛光平面，保证平面度良好，联轴器紧固在电机转轴上。转轴平面不能做得太长，避免电机转轴带的负载惯量过重，影响转轴偏转角度，影响测试精度。给电机施加电流后，电机转轴偏转带动联轴器上的平面发生偏转，此时三坐标可以通过转轴的平面上采点，得到一个平面的数据。给电机施加另一电流值，重复上述方法测试，得到第二个平面的数据，计算出两平面的夹角，此夹角即为电机的偏转角。三坐标在一个平面尽可能多点采集，保证平面拟合的准确性。

图1 工装图

以某31机座号有限转角力矩电机为例：电机不通电，采集平面上不同位置的点，三坐标测试软件构建平面，显示此平面X、Y、Z三坐标的数据，选取此平面作基准平面0。电机施加电流10 mA，电机转轴偏转，重复上述测试方法，测取平面1，专用测试软件通过计算面1与基准平面0的夹角θ1，此夹角θ1就是电机施加电流10 A对应的偏转角。电机输入电流10、20、30、40…250、240、230、220…0 mA依次测试在对应电流下电机的各偏转角。

操作注意事项：有限转角力矩电机精确施加电流，电流过量或者欠量会造成角度测试误差，最终电流-转角特性拟合线性存在偏差。同电流下转角不同，拟合的电流-转角线性差距很大，如图2、图4、图5所示。有限转角力矩电机存在磁滞现象，如表2所示电流从0～250 mA逐渐上升和电流从250～0 mA逐渐下降，在电机同一电流点下的偏转角不一致，一旦电流施加不准确，则需要重新测试。由于目测电流表施加电流，人工测试误差大，所以选取程控电源施加电流保证电流的精确性。以31机座号有限转角力矩电机为例，三坐标法测试数据如表2所示。其中电流从0～250 mA每隔10 mA逐渐上升，增加10 mA电流对应电机理论偏转0.285°，对应电流下它的误差=(θi-θi-1-0.285)；电流从250～0 mA每隔10 mA逐渐下降，对应电流下它的误差=(θi-1-θi-0.285)。按下式计算三坐标法的电流转角特性曲线斜率。

图2 三坐标测量数据图

图4 自整角机测试数据图

图5 旋转变压器测试数据图

表2 三坐标测量数据

(2)

2.2 角位置传感器测量法

用角位置传感器测量电机转轴偏转角度。角位置传感器有自整角机、旋变、编码器、电位器等。可以根据被测电机的精度要求、电机大小、资金需求，选取合适的传感器。在选取角位置传感器时，如表3所示，需要选用惯量的小于0.86的位置传感器，否则有限转角力矩电机通电后运行不正常，影响测试。

表3 有限转角起动测试数据

同一工装下，选取两种摩擦力矩近似一样的角位置传感器自整角机跟旋转变压器做比对试验，自整角机带工装的摩擦力矩为0.408 mN·m,旋转变压器带工装的摩擦力矩为0.490 mN·m,因此本次实验选取自整角机精度单峰值0.050°(3′)跟旋转变压器精度单峰值为0.003°(10″)，两种精度的角位置传感器作比对。

测试装置如图3所示：将有限转角力矩电机与角位置传感器安装在L型试验支架上，保证同轴度，刚性联轴器连接保证角度传输同步。

图3 工装测试图

有限转角力矩电机转子按零位刻线调零，按上述图3安装电机，按专用技术条件规范要求接线，电机不通电，记录此时角位置指示仪的角度数据，此数据作为机械零位角度。由于目测电流表每10 mA施加电流，人员测试误差大，所以选取程控电源施加电流保证电流的精确性。电机输入电流10、20、30、40…250、240、230、220…0 mA依次测试对应电流下电机的角度，各电流下的角度跟机械零位角度读数作差，即为对应电流下电机的转角。

2.2.1 以自整角机作为角位置传感器

以某31机座号有限转角力矩电机为例，选取自整角机作为角位置传感器进行测试。自整角机作为轴角测量元件，转动轴刚性连接，具有很好的同步随动功能。自整角机精度单峰值0.167°。测试数据如下：

2.2.2 以旋转变压器作为角位置传感器

以某31机座号有限转角力矩电机为例，选取旋变作为角位置传感器进行测试。旋转变压器通常用作角度位置反馈元件，通过R/D数字转换器进行解码后，应用于有高精度定位要求的高性能伺服系统中。选取精度单峰值为0.003°的旋转变压器。测试数据如下：

3 实验结果

以某31有限转角力矩电机为例，常温下理论电流-转角特性性能指标为：28.5(1±30%)°/A。根据图2、图4、图5统计测试数据电流-转角线性，如表6所示，两种测试方法的测试数据均符合要求。

表6 两种测试方法电流-转角线性度

综上所述，三坐标法测量电流-转角特性，转轴负载仅有极小惯量的联轴器，三坐标测量法属于直接测量，最接近电机真实运行状态并且三坐标的测试精度极高，如图2所示，三坐标法测量电流-转角特性曲线数据非常接近理论要求数据，如表7所示，三坐标的测试数据最大误差0.240°，测试数据准确性最高。但是三坐标测试环境要求较高，而且设备昂贵，需专人测试，测试场地固定，灵活性不高，测试时间长。

表7 两种方法电流-转角特性测试数据最大误差

以角位置传感器测试法，测试精度略差三坐标，但是测试装置搭建简单，测试装置造价便宜，测试环境要求不高，测试场地选择灵活。如表6所示，自整角机测试最大误差0.270°，旋转变压器测试最大误差0.266°，旋转变压器测试精度略高于自整角机，但是角位置传感器有独特的优势，特别是在一些环境测试的使用场合，可以满足测试。三坐标无法随意移动到环境测试箱体旁，更无法在环境箱内进行测试。

以某31机座号有限转角力矩电机为例，最大电流下的偏转角不到7°，选取10 mA为间隔测试点，测试50个点，角度偏转在0.285°，测试要求极高。选取小偏转角有限转角力矩电机，多点密集测试，为了验证测试方法并放大测试方法的差异。误差越小说明测试数据越接近理论数据，测试方法越优。

综上所述：如表7所示，三坐标测量法的误差小于角位置传感器测量法；电流-转角线性度由于角位置传感器测量法。在同一工装摩擦力相近的情况下，自整角机精度0.05°，旋转变压器0.003°，旋转变压器测试数据的精度和电流-转角特性曲线斜率略高于自整角机。

测试工装的摩擦力和传感器的自身精度都对有限转角力矩电机的转角-电流特性有影响。如图2所示，三坐标测试法，测试精度高，属于直接测量，转轴上的摩擦力几乎可以忽略，曲线最接近理论曲线。

角位置传感器测量法属于间接测试，如表3、表4、表5、图4、图5所示，角位置传感器测量法，因为整体测试工装存在摩擦力，在小电流时，有限转角力矩电机输出力矩很小，整体工装摩擦力对其影响较大，有限转角力矩电机随着电流增大转矩增大，摩擦力影响变小。如果工装的摩擦力矩大于最低测试电流10 mA下的起动转矩0.96 mN·m，此电流下电机的偏转角为0，选取角位置传感器时，它的摩擦力一定要小于被测电机的最小测量值下对应的力矩，摩擦力越小，数据越接近理论值。选取角位置传感器时，传感器的精度与测试精度的比值小于20%。如果精度太低，会造成测试数据偏离。例如，自整角机的测试精度10′=0.167°，理论测试值0.285°，在加上工装整体摩擦力矩会造成整体测试数据严重偏离。

表4 自整角机测试数据

表5 旋转变压器测试数据

4 结 语

本文以一台某31有限转角力矩电机进行分析测试，测试方法从无到有，期间不停测试验证优化。详细讲述三种测试方法的优缺点。有限转角力矩电机实际使用过程中，主要考核电流-转角特性的曲线斜率，在理论要求值得上下偏差范围内即可。以某31有限转角力矩电机为例，常温下理论电流-转角特性性能指标为：28.5(1±30%)°/A。如表6所示，两种测试方法的电流-转角特性完全符合要求。三坐标测试法、传感器对拖法均满足有限转角力矩电机电流-转角特性的测试要求。从研究的角度来说，首选三坐标测量方法，测试精度高，测试各项数据都最优；从工程级来说，在满足要求的前提下，首选传感器测试法，仪器仪表资金投入大，不需要专人测试，操作简单，测试时间短，测试效率高。