CPM康复器中直流电机输出扭矩的问接测量方法

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连续 被 动运 动 CPM (continuous passive mo-tion)是由机械电子装置带动或维持部分肢体的运动，在外科手术、假肢植入、屈曲挛缩或长期制动后用于恢复关节、肌肉和肌腱的正常活动范围，促进关节周围软组织的血液循环和损伤软组织的恢复 ]。

直流电机具有调速范围宽 、机械特性硬、启动特性和低速特性好的特点，是 CPM 康复器优先选用的动力源[2]。为确钡复器工作平稳，避免康复运动时的二次损伤，不仅要对 电机转速进行控制 ，更应对电机的输 出扭矩进 行实时控制。然而 ，动态扭矩测量往往比较复杂[3]，需要由扭矩传感器和信号处理系统来完成，这将使得 CPM 康复器结构更加复杂，且成本增加。为此，研究通过测量电枢电流实现电机输出扭矩测量的方法。

1 直流电机输 出扭矩测量方法分析不同励磁方式的直流 电机具有不同的特性 ，需要根据用途选择不同类型的电机 。永磁式直流电机的性能与恒定励磁电流的他励直流电机相似，具有结构简单、体积孝重量轻、工作可靠和效率高等优点，在 CPM康复器及其他医疗器械中广泛采用。

图 1所示为永磁式直流电机运行过程的等效电路。电枢两端加电压 U后，产生电磁转矩带动电机转子转动；与此同时，转子转动会使电枢绕组产生感应电动势E，各参量间的关系L4 如下：UEIoR (1)E-CE (2)T-CT (3)Yl为电机转速；R。为电枢绕组的电阻值 ； 为图 1 永磁直流电机运行过程的等效电路· 28 ·电枢总电流； 为每极磁通量；C -P·N/2n·a为转矩常数；C -P·N/60a为电动势常数，它们仅与电机结构有关，N为直流电机总导体数；a为并联支路数；P为电机的磁极对数。

直流电机的机械特性曲线关系为：r p- - 二 T (4) C E CECT西。 、在不考虑 电枢效应 的情 况下， 均 为常数 ，U，T， 3者之间的关系如 图 2所示。这里的 T是电机的电磁转矩，严格地讲，它与电机轴上的输出扭矩T埘是不同的，两者间差-空载转矩 T0。但通常情况下，T0与 T或 T 相 比很小 ，故实 际应用 中忽略△ 图 2 不同电枢电压下的 -T曲线依据式(4)，可通过测量电枢电压 U和转速 n来计算电机扭矩丁l5]。但由于他励直流电机的固有机械特性比较硬”，即图 2中的机械特性曲线斜率比较小，电机转速随负载扭矩变化的变化率较小，再考虑到转速的波动因素，使得通过测量电枢电压 U和转速 来计算 电机扭矩 T 的方法误差 比较大 ，不适于在 CPM康复器中应用。

由式(3)可知，在同-电压下电枢电流随着负载的增加而增大，同-负载下电枢电流随着电压的增加而增大 ，因此 ，电枢的电流值能够反映电机输出扭矩的大小，可通过测量电枢电流间接测量输出扭矩。

2 直流 电机 输 出扭 矩 间接 测量实验 系统2.1 测量实验 系统的组成实验系统基于 LabVIEw 软件开发环境，由计算机、NI ELVIS 1I 实验 台、电机控制器、直流电机、行星减速器、轴角编码器、加载装置和直流电流表等组成，如图3所示。

a.NI ELVISI。实验台是 NI推出的-套基于LabVIEW进行设计和原型创建的实验装置，它将LabVIEW 和 NI的DAQ设备相结合，是综合应用《机械 与电.子 》2013(5)器，实现对电机的加载。

电枢电流的测量使用浙江利尔德继电器有限公司生产的数显直流电流表 LR DP6-DA，把 内部量程开关调至 5 A挡，其测量范围为 O～5.00 A，测量精度为小数点后 2位。

电轮重物图 6 加载装置3 实验结果分析具体实验过程是：①将已知重量的重物放人钢丝绳悬挂的容器中，计算机通过 NI ELVISⅡ 给定电机转速控制信号，在重物提升过程中，记录当前控制电压和负载下的电枢电流值；②保持电机控制信号不变，改变重物块的质量，获得了在不同负载下的电枢电流值；③改变电机转速控制信号，重复上述过程 。

实验结果如表 1所示。表中所列的负载扭矩是作用在减速器输出轴上的负载，在不考虑减速器摩擦扭矩的情况下，电机轴上的扭矩 T-负载扭矩/216。

根据表 1，在 LabVIEw 软件中利用最小二乘法拟合不同控制电压下，直流减速电机负载扭矩与电枢电流的关系，并利用图形显示控件 Express XY绘出曲线图，如图 7所示。由图中曲线可看出，在确定的控制电压 U下 ，负载扭矩和电枢电流之间有 良好的线性关系。在 CPM 康复器中，将通过实验测得的电枢电流 I。， ，T 3者之间的关系软件化，实表 1 电机控制电压-负载扭矩-电流值际控制中即可通过对 I 的实时测量来实现对 T的实时测量，并通过调节控制电压 U来控制 T的大校0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.1 50.14. 5 V曲 线 ，/ 4.0 V 曲线 ，-3.5 V 曲线 ， . b姥/ 、2.5 碓日线、2.0 、1.b 4 b lU l l4 lb l1fN ·m图 7 负载扭矩与电枢电流的关系4 结束语对于他励直流电机，其固有机械特性比较硬”，电机转速随负载扭矩的变化的变化率较小，若通过控制电压u、电机扭矩 T、转速 3者之间的关系测量 T，误差较大 ，不适于在 CPM 康复器中应用。而J ，U，T 3者之间的关系，在实 际应用 中对 T进行实时测量，确保 CPM康复器的输出扭矩不超限，以避免二次损伤，可减小系统体积，降低成本，是-种有效、实用的方法。