被動式電動加載系統用角加速度計設計
李兵強，林輝，謝世杰
（西北工業大學，陜西西安710072）
摘要：針對光電編碼器間接測最電機轉軸角加速度時存在易受干擾、計算量大和存在較大延遲等問題，利用牛頓運動學第一定律，通過分析角加速度與轉矩的關系，將對角加速度的測量轉換為列轉矩信號的測量，設計了應用于被動式電動加載系統的角加速度計。試驗結果表明，該角加速度汁設計合理，精度高、溫漂小、動態響應快、抗干擾能力強，有效解決了被動式電動加載系統角加速度的測量問題。
關鍵詞：角加速度計；電動加載；電機控制；轉矩傳感器
中圖分類號：tm38 文獻標識碼：a 文章編號：1004-7018(2010)07-0038-03
0引言
角加速度是角位移對時間的二次微分，也是角速度對時間的一次微分。角加速度計是一種測量角加速度的慣性傳感器，它在汽車、航空航天、工業、電子等領域有著廣泛應用。在慣性傳感器中，角加速度計沒有像線加速度計和陀螺那樣受到更大的關注，因而目前可選的產品種類不夠豐富，并且價格異常昂貴。
被動式電動加載系統需要進行多余力的消除，由文獻[3-4]可知，這需要精確測量電機轉軸角加速度。在該文獻中，通過光電編碼器測得位置信號，然后進行兩次微分獲得角加速度信號。然而，由于微分的存在，使得系統的抗干擾性交差，存在較大延遲，并且控制器連續捕獲光電編碼器脈沖將增大控制器的計算開銷，不利于整個電動加載系統先進控制律的使用和控制頻次的增加，大大影響了被動式電動加載系統的控制效果。由文獻[5]可知，除了對角位置或角速度進行微分外，還有后濾波技術、線性狀態觀測器技術等間接測量方法，這些方法同樣計算量大，不利于整個加載系統實時性的提高。
針對此問題，本文通過分析與角加速度信號相關盼物理量，利用牛頓運動學第一定律，將對角加速度的測量轉換為對轉矩的測量，設計了應用于被動式電動加載系統這一超高性能電機控制應用的角加速度計，為實現高性能被動式電動加載奠定了基礎：
l角加速度計方案
角加速度計用于測量電機轉動過程的瞬時角加速度，從而計算電動加載系統中的多余力[3-4]，因此，角加速度計與電機轉軸同軸相連。本方案通過在電機轉軸上安裝一附加旋轉體，通過測量附加旋轉體與電機轉軸之間的轉矩來估算電機角加速度，如圖l所示。
1.1角加速度信號與轉矩信號的關系
根據牛頓運動學第一定律可知轉矩r和轉動被動式電動加載系統用角加速度計：
可見，對于已知的轉動慣量，，通過測量電機轉軸與附加旋轉體之間的轉矩，便可計算出角加速度。
1 2附加旋轉體沒計
附加旋轉體采用圓柱體，如圖l所示。設計角加速度計量程為10 000 rad/sz，轉矩傳感器量程定為l n．m，由式(1)可得附加旋轉體的轉動慣量：
令半徑r=25 mm，由圓柱體轉動慣量計算公式：
可求得圓柱體長度為2= 20. 89 mm，其中m為圓柱體質量。
如圖1所示，角加速度計左端與電機轉軸尾端通過聯軸器相連，中間部分為測量附加旋轉體與電機轉軸之間扭矩的轉矩傳感器，采用電橋應變片進行測量，其設計在本文后續部分將進行詳細分析：角加速度計右端為一微摩擦軸承，通過支架固定，防止附加旋轉體給轉矩測量部分產生附加徑向載荷，影響測量精度。
傳感器引線通過lpt012滑環與外部相連，實現信號傳遞。需要說明的是，由于壽命問題，滑環對于旋轉軸轉矩測量并不是一個很好的解決方案，近來已經逐漸被摒棄，但 |
