CN101980037B - 一种直线电机运动系统综合试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电机测试设备领域的一种直线电机运动系统综合试验装置。由被测直线电机、旋转伺服电机、力矩电机、传感器模块和传动机构组成；直线运动导轨和直线位置传感器固定工作台面上，直线电机初级安装在直线运动导轨上，控制器的输出通过通信接口分别连接各个传感器，各个传感器通过通信接口将获得的试验过程中的位置、加速度、拉力和温度测量信号传出；旋转伺服电机、力矩电机和直线电机与控制器通过通信接口实现协调运动；本测试装置可以完成直线电机驱动的机床进给系统动刚度试验、推力系数测定、温升试验及低速运动特性试验等多种试验。解决直线电机驱动的机床进给系统缺少成套测试装置、测试精度低和可重复性差的问题。

Description

一种直线电机运动系统综合试验装置

技术领域

本发明属于电机测试设备领域，特别涉及用于实现直线电机运动系统的稳定性试验、推力系数测定、温升试验及低速运动特性试验的一种直线电机运动系统综合试验装置。

背景技术

直线电机应用于制造装备行业有着突出的优势，已受到国家和行业的重视。制造装备的性能测试与试验是装备投入市场和实现应用前的必须进行的环节，对于确定直线电机驱动的制造装备性能指标、指出装备存在的问题和提高装备的应用水平有着重要意义。

已有的典型测试装置如图1所示。图1是哈尔滨工业大学设计的测量直线电机定位力的测试装置。本装置采用步进电机121通过同步带轮114拖动，直线电机初级101往复运动。在测定直线电机定位力时，由计算机131向步进电机控制器130发出脉冲指令，进而控制步进电机121运动。由于定位力的存在，直线电机初级101两端的第一力传感器108和第二力传感器109会产生电压信号，经过分析得到行程内推力波动的情况。该试验装置存在如下几个问题：(1)采用同步带作为传动介质，但由于其挠度过大导致蠕变和响应延迟，并不适用于定位和动态力测试；(2)仅能用于完成一项试验(伺服刚度)；(2)试验装置中没能有效排除干扰因素，测量精度难以保证，重复性差。

尚未见直线电机运动系统的多参数和性能(如摩擦力、粘滞系数等参数和系统的稳定性试验)的综合测试装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于，由直线电机、旋转伺服电机、力矩电机、传感器模块和传动机构组成；被测直线电机初级1-1安装在直线运动导轨2上，被测直线电机次级1-2、直线运动导轨2和直线位置传感器5固定在工作台16上，并且直线位置传感器5在被测直线电机1的侧面；第一钢丝出绳主动轮11和第二钢丝出绳主动轮12分别安装在被测直线电机初级1-1及直线运动导轨2所构成的整体的两端，钢丝出绳主动轮上面的钢丝绳15分别通过第一拉力传感器8、第二拉力传感器9与被测直线电机初级1-1的两端相连；旋转伺服电机4的输出轴与第二钢丝出绳主动轮12滑轮轴相连接，力矩电机3的输出轴与第一钢丝出绳主动轮11滑轮轴相连；第一拉力传感器8和第二拉力传感器9分别固定在被测直线电机初级1-1的左右端面；第一钢丝出绳从动轮10与第一钢丝出绳主动轮11通过钢丝绳相连，第二钢丝出绳从动轮13与第二钢丝出绳主动轮12通过纲丝绳相连，张紧钢丝并提供预紧力和防滑摩擦力；温度传感器7安装在直线电机硅钢片上或者直线电机初级绕组内；加速度传感器6安装在直线电机初级壳体上；控制器14的输出通过通信接口分别连接旋转伺服电机4、第一拉力传感器8、第二拉力传感器9、直线位置传感器5、加速度传感器6、温度传感器7、直线电机初级1和力矩电机3；各个传感器通过传感器接口将获得的试验过程中的位置、加速度、拉力和温度测量信号传出；控制器14通过通信接口协调旋转伺服电机、力矩电机和直线电机间的运动；

一种直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于，由驱动直线电机系统17、被测直线电机1、传感器模块和双向钢丝绳滑轮牵引机构18组成，双向钢丝绳滑轮牵引机构18对称安装在驱动直线电机系统17和被测直线电机1的外侧，双向钢丝绳滑轮牵引机构18分别连接驱动直线电机系统17初级和第三拉力传感器19和第四拉力传感器20；第三拉力传感器19和第四拉力传感器20分别连接被测直线电机初级1-1的两端；钢丝绳15通过双向钢丝绳滑轮牵引机构18进行预紧；控制驱动直线电机系统17，驱动被测直线电机1运行，或者对被测直线电机1施加负载力，通过第三拉力传感器19和第四拉力传感器20记录电机的受力状态。

本发明的优点是：可以满足直线运动系统的稳定性试验、动态参数测试、推力系数测定、温升试验及低速运动特性试验等多个试验的需求，可以缩短试验周期和提高测试的可重复性与测试精度。(1)综合了直线电机性能测试中的多种测试要求，在不需更换试验装置的情况下，能够完成推力波动、系统稳定性试验、温升试验、推力系数试验和摩擦力参数的测试等试验，大大缩短了整个系统的测试周期；(2)系统中的直线位置传感器可以为旋转伺服电机提供位置或者速度反馈，使旋转伺服电机拖动直线电机初级的位置定位或者运动速度精度更高，有利于提高测试精度。(3)本传动机构使被测试直线电机平台具有很小的加速度，即产生可以忽略的惯性力，从而得到较准确的牵引力测量结果；(4)该机构具有很高的定位能力，用力矩电机可以将被测电机定位在指定电角度位置，它使得测试平台又可以同时满足测量在某一位置下的全电流范围内的推力系数的测量要求，利于研究直线电机的极限输出状态。

附图说明

图1是哈尔滨工业大学设计的测量直线电机定位力的测试装置(CN101520348A)；

图2是是本发明中实施方案一的示意图；

图3是本发明的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的第一实施例的结构，如图2所示。

实施方式一：本发明的被测直线电机初级1-1安装在直线运动导轨2上，被测直线电机次级1-2、直线运动导轨2和直线位置传感器5固定在工作台16上，并且直线位置传感器5在被测直线电机1的侧面；第一钢丝出绳主动轮11和第二钢丝出绳主动轮12分别安装在被测直线电机初级1-1及直线运动导轨2所构成的整体的两端，钢丝出绳主动轮上面的钢丝绳15分别通过第一拉力传感器8、第二拉力传感器9与被测直线电机初级1-1的两端相连；旋转伺服电机4的输出轴与第二钢丝出绳主动轮12滑轮轴相连接，力矩电机3的输出轴与第一钢丝出绳主动轮11滑轮轴相连；第一拉力传感器8和第二拉力传感器9分别固定在被测直线电机初级1-1的左右端面；第一钢丝出绳从动轮10与第一钢丝出绳主动轮11通过纲丝绳相连，第二钢丝出绳从动轮13与第二钢丝出绳主动轮12通过纲丝绳相连，张紧钢丝并提供预紧力和防滑摩擦力；温度传感器7安装在直线电机硅钢上或者被测直线电机初级绕组内；加速度传感器6安装在被测直线电机初级壳体上；电机控制器14的输出通过通信接口分别连接旋转伺服电机4、第一拉力传感器8、第二拉力传感器9、直线位置传感器5、加速度传感器6、温度传感器7、被测直线电机初级1-1和力矩电机3；各个传感器通过传感器接口将获得的试验过程中的位置、加速度、拉力和温度测量信号传出；电机控制器14通过通信接口协调旋转伺服电机、力矩电机、被测直线电机1的运动；电机控制器14的输出分别连接旋转伺服电机4、第一拉力传感器8、第二拉力传感器9、直线位置传感器5、加速度传感器6、温度传感器7、被测直线电机初级1-1和力矩电机3；加速度传感器6安装在被测直线电机初级1-1上，跟随其运动，保证所测加速度为被测直线电机初级1-1在运动方向的加速度。直线位置传感器5可以选用直线光栅尺或直线磁栅尺。将直线位置传感器5的读数头与被测直线电机初级1-1联接。电机控制器4由DSP控制板和驱动板组成。在简单试验的情况下，控制板亦可以采用其它控制芯片系统，如ARM控制板、各种单片机控制板替代。各电机的运动系统控制器间通过串口RS232、RS485或者SPI数据接口相互通信；

本发明的第二实施例的结构，如图3所示。双向钢丝绳滑轮牵引机构18对称安装在驱动直线电机系统17和被测直线电机1的外侧，双向钢丝绳滑轮牵引机构18分别连接驱动直线电机系统17初级和第三拉力传感器19和第四拉力传感器20；第三拉力传感器19和第四拉力传感器20分别连接被测直线电机初级1-1的两端；钢丝绳15通过双向钢丝绳滑轮牵引机构18进行预紧；控制驱动直线电机系统17，驱动被测直线电机1运行，或者为被测直线电机1施加负载力，通过第三拉力传感器19和第四拉力传感器20记录电机的受力状态。

工作原理：

1.直线电机运动系统稳定性试验方案

利用本发明进行被测直线电机运动系统试验时，首先启动被测直线电机运动系统，控制被测直线电机加速至0.5倍额定速度，并保持匀速运行；控制力矩电机3的输入电流值，对被测直线电机运动系统施加0.5倍额定推力的负载，同时记录被测直线电机运动系统的速度随时间的响应情况。

2.被测直线电机推力系数测定试验

本发明提出的被测直线电机连续位置的变化规律的测试方法详细说明如下。

(1)测定指定电流下电磁输出推力关于电角度(位置)变化规律的测定方法：第一步，不启动被测直线电机，拖动被测直线电机低速运动，测量被测直线电机在非运行状态下的各种外力状况，包括齿槽力F_ripple、摩擦力f、端部力及拖链阻力F_d等外力，由于基本消除了惯性力的影响，传感器所测量的拉力为F₁＝F_ripple+f+F_d；第二步控制被测直线电机工作在电流环，保持被测直线电机平稳运行时在各个位置的电枢电流I_c不变，此时牵引电机所需的实际拉力为F₂＝F_thrust+F_ripple+f+F_d，其中电机的输出推力为F_thrust＝K_t(x)·I_c，式中K_t(x)为连续位置的电磁推力系数。两式相减后除以恒值电枢电流，则K_t(x)＝F_thrust/I_c＝(F₂-F₁)/I_c。设定另一恒定驱动电流，以使被测直线电机产生不同的理论输出力，重复上述试验过程，便可以得到不同的驱动电流下电磁推力系数关于位置的变化情况。

(2)测定指定位置下电磁输出推力关于直轴电流变化规律的测定方法：进行试验时，控制驱动电机使被测直线电机定位在某位置。然后再使被测直线电机运行在电流环，设定直轴电流在全额定范围内变化，采集拉力传感器输出并计算被测直线电机的电磁输出推力，绘出推力一电流曲线。曲线的斜率即为推力系数。

3.被测直线电机运动系统温升试验方案

采用本发明的第一实施例，进行被测直线电机初级1-1温升试验前，根据电机的额定推力计算出力矩电机3所需输出的制动力矩，再根据力矩与电流的关系设定力矩电机3的定子电流，使得电机匀速运动时所克服的阻力刚好为额定推力。

采用本发明的第二实施例，进行被测直线电机运动系统温升试验前，根据电机的额定推力计算出驱动直线电机所需输出的力，使得电机匀速运动时所克服的阻力刚好为额定推力。试验开始后，通过检测埋置在电机初级中的温度传感器7得到温升曲线图。

4.库仑摩擦力、摩擦力粘滞系数的试验方案

首先在速度闭环的前提下，拖动被测直线电机初级1-1从工作台16的一端以恒定的速度v₁运动到另一端(如图2所示)，通过直线位置传感器5记录运动过程中的位置，及与位置对应的第一拉力传感器8的输出值F₁、第二拉力传感器9的输出值F₂，加速度传感器6输出值a。在某一位置x₁处，根据牛顿第二定律可得：

F₁-F₂+F_r-F_fv1＝ma                                            (1)

式中F_fv1代表在速度v₁下的摩擦力；F_r代表位置x₁处的定位力值。再拖动被测直线电机初级1以相同的恒定的速度v₁反向运动到另一端，可得：

F′₁-F′₂+F′_r+F′_fv1＝ma′                                  (2)

由于两次运动的速度大小相等且为恒速，所以可以认为F′_f＝F_f，a′＝a≈0。将式(1)和式(2)相加，可以得到：

F₁-F₂+F_r+F′₁-F′₂+F′_r＝ma+ma′≈0                          (3)

由于定位力值大小也只与被测直线电机初级1-1的运动位置相关，则在相同的位置时有：F′_r＝F_r，代入式(1)中可以求得在速度v₁下的摩擦力F_fv1：

F_fv1＝F₁-F₂+F_r                                               (5)

最后，在速度闭环的前提下，拖动被测直线电机初级1-1以恒定的速度v₂做往返运动，采用同样的方法计算在速度v₂下的摩擦力F_fv2：

F_fv2＝F_1v2-F_2v2+F_rv2                                         (6)

通过式(6)和式(5)就可以计算得出直线运动导轨2的摩擦力粘滞系数b：

$b=\frac{f_{\mathrm{fv}2}-F_{\mathrm{fv}1}}{v_2-v_1}---\left(7\right)$

Claims (4)

1.一种直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于，由直线电机、旋转伺服电机、力矩电机、传感器模块和传动机构组成；被测直线电机初级(1-1)安装在直线运动导轨(2)上，被测直线电机次级(1-2)、直线运动导轨(2)和直线位置传感器(5)固定在工作台(16)上，并且直线位置传感器(5)在被测直线电机(1)的侧面；第一钢丝出绳主动轮(11)和第二钢丝出绳主动轮(12)分别安装在被测直线电机初级(1-1)及直线运动导轨(2)所构成的整体的两端，钢丝出绳主动轮上面的钢丝绳(15)分别通过第一拉力传感器(8)、第二拉力传感器(9)与被测直线电机初级(1-1)的两端相连；旋转伺服电机(4)的输出轴与第二钢丝出绳主动轮(12)滑轮轴相连接，力矩电机(3)的输出轴与第一钢丝出绳主动轮(11)滑轮轴相连；第一拉力传感器(8)和第二拉力传感器(9)分别固定在被测直线电机初级(1-1)的左右端面、第一钢丝出绳从动轮(10)与第一钢丝出绳主动轮(11)相连，第二钢丝出绳从动轮(13)与第二钢丝出绳主动轮(12)相连，张紧钢丝并提供预紧力和防滑摩擦力；控制器(14)的输出通过通信接口分别连接旋转伺服电机(4)、第一拉力传感器(8)、第二拉力传感器(9)、直线位置传感器(5)、加速度传感器(6)、温度传感器(7)、直线电机初级(1)和力矩电机(3)；各个传感器通过传感器接口将获得的试验过程中的位置、加速度、拉力和温度测量信号传出；控制器(14)通过通信接口协调控制旋转伺服电机、力矩电机和直线电机的运动。

2.根据权利要求1所述直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于：传动机构采用绳传动机构，保持出绳主动轮的出绳位置不变，出绳方向与直线电机运动方向一致；所采用的绳为钢丝绳或高刚度复合材料绳。

3.如权利要求1直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于：直线位置传感器(5)选用直线光栅尺或者直线磁栅尺。

4.一种直线电机运动系统综合试验装置，其特征在于，由驱动直线电机系统(17)、被测直线电机(1)、传感器模块和双向钢丝绳滑轮牵引机构(18)组成，双向钢丝绳滑轮牵引机构(18)对称安装在驱动直线电机系统(17)和被测直线电机(1)的外侧，双向钢丝绳滑轮牵引机构(18)分别连接驱动直线电机系统(17)次级和第三拉力传感器(19)和第四拉力传感器(20)；第三拉力传感器(19)连接在被测直线电机初级(1-1)的一端，第四拉力传感器(20)连接在被测直线电机初级(1-1)的另一端，以保证通过滑轮的钢丝绳(15)与两个电机的运行方向一致；钢丝绳(15)通过双向钢丝绳滑轮牵引机构(18)进行预紧；控制驱动直线电机系统(17)，驱动被测直线电机(1)运行，或者为被测直线电机(1)施加负载力，通过第三拉力传感器(19)和第四拉力传感器(20)记录电机的受力状态。

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