高精度微扭矩动态测试仪

　　1　引　言

　　微驱动器的研制一直是微机械、微操作系统研究的前沿课题。微驱动器的输出特性——输出扭矩同转速的关系是其重要的机电参数之一。由于结构尺寸(一般微驱动器的输出轴直径小于1mm)等原因,大多数微驱动器的扭矩是通过计算得到的。现有的几种测试方法也都是基于接触的间接的方式进行的,一般只能测量大于10-5Nm以上的输出扭矩,如D Mathieson的黏度制动法、Jacobsen S.C扭丝测试法、GoemansP.A.FM等人的转轴磁感应法及Nishibe Y的摩擦测试法等。由于测量原理上的局限性,以上各种方法都存在测量(或计算)精度低、测量范围小等缺点。

　　本文提出一种新的微驱动器输出扭矩动态测试方法:以非接触测量代替以往的接触测量,改间接测量为直接测量,这样可以最大限度地减少中间环节及测量影响因素,从而可以把测量精度提高约一个数量级。同时,测量范围提高到10-4～10-7Nm。

　　2　基本测量原理

　　图1是测试装置结构示意图。它由安装在微驱动器输出轴上的薄铝盘、非接触制动组件(包括制动磁极和绕于其上的励磁线圈)、天平、用于控制天平平衡的微力自动加载线圈、测速光电管和计算机控制部分组成。

　　当电流流过励磁线圈时,两制动磁极缝隙中产生一定强度的磁场。铝盘在被测微驱动器的带动下旋转,边缘在磁场中切割磁力线,其内部产生涡电流。涡电流在磁场的作用下使铝盘受到一个与运动方向相反的力。同时,制动磁极将受到一个大小相等、方向相反的反作用力。调节天平右端的砝码(为实现自动测量,图中以加载线圈表示)的数量,使天平重新平衡,则反作用力的大小可精确测出。此力与制动磁极到微驱动器轴心的距离的乘积即为微驱动器的此转速下的输出扭矩。改变励磁线圈中电流的大小,微驱动器的输出扭矩与转速随之改变。如此可得到微驱动器输出扭矩随转速变化的关系。

　　3　非接触式微力制动机理

　　3.1　直流励磁制动

　　以直流方式励磁时,制动力矩M可表示为:

　　这种制动方法对于大多数转速高于150rpm的微驱动器都是适用的,但是由于磁极饱和的限制,NI的最大值受到限制;而b和rm相互限制,所以对于有些在低转速下运行的微驱动器,制动磁极将不能提供足够的制动力使微驱动器转速进一步下降。这个问题可以用以下的方法解决。

　　3.2　罩极制动原理

　　为测量低转速(甚至零转速)下微驱动器的输出力矩,可在铝盘的边缘作用一个与其旋转方向相反的旋转磁场。本测试仪采用如图2所示的罩极磁极结构产生旋转磁场。在磁极端部1/3处开一小槽,用一短路环将较小的一部分磁极包围。当励磁线圈中流过直流电流时,主磁通ΦA和被短路环所覆盖部分磁极所产生的磁通ΦB相同,此时制动机理同上一部分的论述相同。当被测微驱动器转速较低时,在励磁线圈中通以一定频率波形的交流电,由于短路环的作用,ΦB的大小将发生改变,且在相位上落后ΦA一定角度。加之和ΦA在空间上也有一个微小的夹角,所以ΦA和ΦB合成后的矢量将随着电流方向的变化沿一椭圆运动,产生旋转磁场(图3)。虽然此椭圆磁场产生的制动力十分微小,但对于微驱动器的制动来说已经足够大。图4表示了励磁线圈中交流电频率和波形对制动力的影响效果。