CN101793605A - 基于伺服电机的动态加载方法 - Google Patents

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Abstract

基于伺服电机的动态加载方法，属于电机领域，本发明为解决直流电机的特性并不能很好的满足电动加载系统的要求的问题。本发明方法利用系统控制器根据给定的载荷谱发送驱动转矩指令值和初始制动转矩指令值，驱动被测电机旋转；同时，驱使加载电机产生制动转矩，对被测电机加载；然后，采用转矩/转速传感器反馈加载电机施加给被测电机的实际输出转矩值，系统控制器根据偏差调整制动转矩指令值，使加载电机施加给被测电机的实际输出转矩值快速跟踪初始制动转矩指令值。本发明的第二种方法是先用转矩/转速传感器标定加载电机的输入输出转矩关系曲线，系统控制器根据给定的载荷谱及关系曲线发送驱动转矩指令值和制动转矩指令值，对被测电机进行加载。

Description

基于伺服电机的动态加载方法
技术领域
本发明涉及基于伺服电机的动态加载方法，属于电机领域。
背景技术
随着国防事业对飞行器控制精度和机动性能要求大幅提高，对负载模拟器加载力矩的动态频响和精度等性能提出了更高的要求。随着电力电子技术和计算机控制技术的迅猛发展，使得伺服电动机技术有了显著提高。近年来世界各国在很多高精度的速度和位置控制场合，电力半导体驱动装置在逐步取代电液驱动装置。其中的主要原因有两点：一是在许多小型无人飞行器中高性能电动舵机正在得到越来越多的应用。这些舵机的执行机构为电机，使得电动负载模拟器的驱动频宽与驱动能力能够满足试验需要；二是在地面仿真实验中给这些小型低速舵机（相对于传统的电液舵机）配备负载的必要性正在逐步受到重视。所以电动加载方案在这种背景下被提出有着重要的意义，与传统液压阀加载相比，电动加载系统具有体积小、结构简单、成本低、维护使用方便等优点，而其中最重要的一个优点就是响应速度较快，频响宽，易于控制。但是采用直流电动机进行电动加载时，直流电机的特性并不能很好的满足电动加载系统的要求。
发明内容
本发明目的是为了采用直流电动机进行电动加载时，解决直流电机的特性并不能很好的满足电动加载系统的要求的问题，提供了基于伺服电机的动态加载方法。
本发明提供的第一种技术方案为：
该方法所使用的装置包括电机驱动器、系统控制器、伺服驱动器、加载电机、转矩/转速传感器、被测电机和附加惯量盘，加载电机、转矩/转速传感器和被测电机共同放置在测试平台上，转矩/转速传感器设置在加载电机和被测电机之间，被测电机的转轴与转矩/转速传感器的转轴之间用联轴器连接，加载电机的转轴与转矩/转速传感器的转轴之间用联轴器连接，且加载电机的转轴上设置有附加惯量盘，加载电机的转子惯量、转矩/转速传感器的惯量、附加惯量盘的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机的实际负载惯量，
基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
系统控制器根据给定的载荷谱给电机驱动器发送驱动转矩指令值，电机驱动器根据所述驱动转矩指令值给被测电机输出绕组电流，驱动被测电机旋转；同时，系统控制器还将驱动转矩指令值作为初始制动转矩指令值发送给伺服驱动器，伺服驱动器根据所述初始制动转矩指令值给加载电机输出绕组电流，使加载电机产生制动转矩，对被测电机加载；
然后，采用转矩/转速传感器反馈加载电机施加给被测电机的实际输出转矩值，系统控制器根据伺服驱动器的实际输入转矩值与实际输出转矩值的偏差调整系统控制器输出的制动转矩指令值，对加载电机输出绕组电流进行修正控制，使加载电机施加给被测电机的实际输出转矩值快速跟踪初始制动转矩指令值。
本发明提供的第二种技术方案为：
在第一种方案的基础上，取消设置在加载电机和被测电机之间的转矩/转速传感器，只是采用转矩/转速传感器对加载电机进行转矩标定，具体如下：
该方法所使用的装置包括电机驱动器、系统控制器、伺服驱动器、加载电机、被测电机和附加惯量盘，加载电机、被测电机共同放置在测试平台上，被测电机的转轴与加载电机的转轴之间用联轴器连接，且加载电机的转轴上设置有附加惯量盘，加载电机的转子惯量、附加惯量盘的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机的实际负载惯量，
基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
首先采用转矩/转速传感器对加载电机进行转矩标定，获取不同转速下，施加给加载电机的制动转矩指令值与其实际输出转矩值之间的关系曲线；系统控制器根据给定的载荷谱给电机驱动器发送驱动转矩指令值，电机驱动器根据所述驱动转矩指令值给被测电机输出绕组电流，驱动被测电机旋转；同时，系统控制器根据所述给定载荷谱以及所述关系曲线，给伺服驱动器发送制动转矩指令值，伺服驱动器给加载电机输出绕组电流，使加载电机产生制动转矩，对被测电机加载。
本发明的优点：
伺服电具有机体积小、惯性低、响应快，以及具有高转矩/惯量比和高转速/重量比的优点，可以在保证电机出力的情况下，通过优化设计电机本体来减小转子转动惯量；直接加载消除了间接驱动机构带来的弊端，是高精度、高动态响应的负载模拟器的发展方向。
采用本发明方法可精确模拟飞行器电动舵机系统实际负载（惯性负载、弹性负载、摩擦负载以及粘滞负载）状态，实现对电动舵机系统的动态特性测试，具有装置结构简单、操作容易、成本低、精度高等特点，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是实施方式一所使用装置的结构示意图，图2是实施方式二所使用装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述方法所使用的装置包括电机驱动器1、系统控制器2、伺服驱动器3、加载电机4、转矩/转速传感器5、被测电机6和附加惯量盘7，加载电机4、转矩/转速传感器5和被测电机6共同放置在测试平台上，转矩/转速传感器5设置在加载电机4和被测电机6之间，被测电机6的转轴与转矩/转速传感器5的转轴之间用联轴器连接，加载电机4的转轴与转矩/转速传感器5的转轴之间用联轴器连接，且加载电机4的转轴上设置有附加惯量盘7，加载电机4的转子惯量、转矩/转速传感器5的惯量、附加惯量盘7的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机6的实际负载惯量，
基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
系统控制器2根据给定的载荷谱给电机驱动器1发送驱动转矩指令值，电机驱动器1根据所述驱动转矩指令值给被测电机6输出绕组电流，驱动被测电机6旋转；同时，系统控制器2还将驱动转矩指令值作为初始制动转矩指令值发送给伺服驱动器3，伺服驱动器3根据所述初始制动转矩指令值给加载电机4输出绕组电流，使加载电机4产生制动转矩，对被测电机6加载；
然后，采用转矩/转速传感器5反馈加载电机4施加给被测电机6的实际输出转矩值，系统控制器2根据伺服驱动器3的实际输入转矩值与实际输出转矩值的偏差调整系统控制器2输出的制动转矩指令值，对加载电机4输出绕组电流进行修正控制，使加载电机4施加给被测电机6的实际输出转矩值快速跟踪初始制动转矩指令值。
载荷谱包括模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意一种、任意两种叠加或三种叠加。
本发明所述方法可精确模拟飞行器电动舵机系统实际负载，包括惯性负载状态、弹性负载状态、摩擦负载状态以及粘滞负载状态，实现对电动舵机系统的动态特性测试，本发明所使用的装置中加入附加惯量盘7，可模拟惯性负载状态。
本发明方法可分别模拟摩擦负载状态、弹性负载状态和粘滞负载状态中的任意一种、任意两种叠加或三种同时模拟。系统控制器2输出的制动转矩指令值TL=T1+T2+T3，T1为摩擦负载转矩；T2为弹性负载转矩；T3为粘滞负载转矩。
当载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线时，即模拟摩擦负载状态，制动转矩指令值为TL=T1=T0，此时T2=T3=0，其中，T0为一固定转矩值。
摩擦转矩是一种与转子转角、转速大小无关的转矩，其大小恒定，加载时只需要在轴上施加一个大小不变的固定转矩即可。
当载荷谱为模拟弹性负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T2=k1θ，此时T1=T3=0，其中，k1为系数，θ为加载电机4的转子角度。
弹性转矩T2是一种与转子转角成正比的转矩，加载时需要高速、高精度地检测加载电机4的转子的角度，根据转子角度的大小来施加相应的转矩。
当载荷谱为模拟粘滞负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T3=k2ω，此时T1=T2=0，其中，k2为系数，ω为加载电机4的转子角速度。
粘滞转矩T3是一种与转子速度成正比的转矩，加载时需要高速、高精度地检测转子速度，根据加载电机4的转子角速度的大小来施加相应的转矩。
载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意两种叠加时，相应叠加即可，如：同时模拟摩擦负载状态和弹性负载状态时，TL=T1+T2=T0+k1θ，其它以此类推。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述方法所使用的装置包括电机驱动器1、系统控制器2、伺服驱动器3、加载电机4、被测电机6和附加惯量盘7，加载电机4和被测电机6共同放置在测试平台上，被测电机6的转轴与加载电机5的转轴之间用联轴器连接，且加载电机4的转轴上设置有附加惯量盘7，加载电机4的转子惯量、附加惯量盘7的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机6的实际负载惯量，
基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
首先采用转矩/转速传感器对加载电机4进行转矩标定，获取不同转速下，施加给加载电机4的制动转矩指令值与其实际输出转矩值之间的关系曲线；系统控制器2根据给定的载荷谱给电机驱动器1发送驱动转矩指令值，电机驱动器3根据所述驱动转矩指令值给被测电机6输出绕组电流，驱动被测电机6旋转；同时，系统控制器2根据所述给定载荷谱以及所述关系曲线，给伺服驱动器3发送制动转矩指令值，伺服驱动器3给加载电机4输出绕组电流，使加载电机4产生制动转矩，对被测电机6加载，加载电机4施加给被测电机6的实际转矩值与驱动转矩指令值相等。
载荷谱包括模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意一种、任意两种叠加或三种叠加。
本发明所述方法可精确模拟飞行器电动舵机系统实际负载，包括惯性负载状态、弹性负载状态、摩擦负载状态以及粘滞负载状态，实现对电动舵机系统的动态特性测试，本发明所使用的装置中加入附加惯量盘7，可模拟惯性负载状态。
本发明方法可分别模拟摩擦负载状态、弹性负载状态和粘滞负载状态中的任意一种、任意两种叠加或三种同时模拟。系统控制器2输出的制动转矩指令值TL=T1+T2+T3，T1为摩擦负载转矩；T2为弹性负载转矩；T3为粘滞负载转矩。
当载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线时，即模拟摩擦负载状态，制动转矩指令值为TL=T1=T0，此时T2=T3=0，其中，T0为一固定转矩值。
摩擦转矩是一种与转子转角、转速大小无关的转矩，其大小恒定，加载时只需要在轴上施加一个大小不变的固定转矩即可。
当载荷谱为模拟弹性负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T2=k1θ，此时T1=T3=0，其中，k1为系数，θ为加载电机4的转子角度。
弹性转矩T2是一种与转子转角成正比的转矩，加载时需要高速、高精度地检测加载电机4的转子的角度，根据转子角度的大小来施加相应的转矩。
当载荷谱为模拟粘滞负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T3=k2ω，此时T1=T2=0，其中，k2为系数，ω为加载电机4的转子角速度。
粘滞转矩T3是一种与转子速度成正比的转矩，加载时需要高速、高精度地检测转子速度，根据加载电机4的转子角速度的大小来施加相应的转矩。
载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意两种叠加时，相应叠加即可，如：同时模拟摩擦负载状态和弹性负载状态时，TL=T1+T2=T0+k1θ，其它以此类推。
根据加载电机4进行转矩标定时形成的施加给加载电机4的制动转矩指令值与其实际输出转矩值之间的关系曲线，若要满足加载电机4施加给被测电机6的实际转矩值与驱动转矩指令值相等，那么，系统控制器2输出的制动转矩指令值除了和载荷谱相关外，还要根据所述关系曲线进行调整。

Claims (10)

1.基于伺服电机的动态加载方法，该方法所使用的装置包括电机驱动器（1）、系统控制器（2）、伺服驱动器（3）、加载电机（4）、转矩/转速传感器（5）、被测电机（6）和附加惯量盘（7），加载电机（4）、转矩/转速传感器（5）和被测电机（6）共同放置在测试平台上，转矩/转速传感器（5）设置在加载电机（4）和被测电机（6）之间，被测电机（6）的转轴与转矩/转速传感器（5）的转轴之间用联轴器连接，加载电机（4）的转轴与转矩/转速传感器（5）的转轴之间用联轴器连接，且加载电机（4）的转轴上设置有附加惯量盘（7），加载电机（4）的转子惯量、转矩/转速传感器（5）的惯量、附加惯量盘（7）的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机（6）的实际负载惯量，
其特征在于，基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
系统控制器（2）根据给定的载荷谱给电机驱动器（1）发送驱动转矩指令值，电机驱动器（1）根据所述驱动转矩指令值给被测电机（6）输出绕组电流，驱动被测电机（6）旋转；同时，系统控制器（2）还将驱动转矩指令值作为初始制动转矩指令值发送给伺服驱动器（3），伺服驱动器（3）根据所述初始制动转矩指令值给加载电机（4）输出绕组电流，使加载电机（4）产生制动转矩，对被测电机（6）加载；
然后，采用转矩/转速传感器（5）反馈加载电机（4）施加给被测电机（6）的实际输出转矩值，系统控制器（2）根据伺服驱动器（3）的实际输入转矩值与实际输出转矩值的偏差调整系统控制器（2）输出的制动转矩指令值，对加载电机（4）输出绕组电流进行修正控制，使加载电机（4）施加给被测电机（6）的实际输出转矩值快速跟踪初始制动转矩指令值。
2.根据权利要求1所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，载荷谱包括模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意一种、任意两种叠加或三种叠加。
3.根据权利要求2所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T0，其中，T0为一固定转矩值。
4.根据权利要求2所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟弹性负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=k1θ，其中，k1为系数，θ为加载电机（4）的转子角度。
5.根据权利要求2所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟粘滞负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=k2ω，其中，k2为系数，ω为加载电机（4）的转子角速度。
6.基于伺服电机的动态加载方法，该方法所使用的装置包括电机驱动器（1）、系统控制器（2）、伺服驱动器（3）、加载电机（4）、被测电机（6）和附加惯量盘（7），加载电机（4）和被测电机（6）共同放置在测试平台上，被测电机（6）的转轴与加载电机5的转轴之间用联轴器连接，且加载电机（4）的转轴上设置有附加惯量盘（7），加载电机（4）的转子惯量、附加惯量盘（7）的惯量、联轴器的惯量之和等于被测电机（6）的实际负载惯量，
其特征在于，基于伺服电机的动态加载方法的具体过程为：
首先采用转矩/转速传感器对加载电机（4）进行转矩标定，获取不同转速下，施加给加载电机（4）的制动转矩指令值与其实际输出转矩值之间的关系曲线；系统控制器（2）根据给定的载荷谱给电机驱动器（1）发送驱动转矩指令值，电机驱动器3根据所述驱动转矩指令值给被测电机（6）输出绕组电流，驱动被测电机（6）旋转；同时，系统控制器（2）根据所述给定载荷谱以及所述关系曲线，给伺服驱动器（3）发送制动转矩指令值，伺服驱动器（3）给加载电机（4）输出绕组电流，使加载电机（4）产生制动转矩，对被测电机（6）加载。
7.根据权利要求6所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，载荷谱包括模拟摩擦负载状态的转矩曲线、模拟弹性负载状态的转矩曲线和模拟粘滞负载状态的转矩曲线中的任意一种、任意两种叠加或三种叠加。
8.根据权利要求7所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟摩擦负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=T0，其中，T0为一固定转矩值。
9.根据权利要求7所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟弹性负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=k1θ，其中，k1为系数，θ为加载电机（4）的转子角度。
10.根据权利要求7所述的基于伺服电机的动态加载方法，其特征在于，当载荷谱为模拟粘滞负载状态的转矩曲线时，制动转矩指令值为TL=k2ω，其中，k2为系数，ω为加载电机（4）的转子角速度。
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