CN102033201A - 采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置及方法，本装置可以模拟任意大小的扭矩负载，且模拟扭矩范围宽、精度高、响应快，和上位机组成闭环系统，可以实时调节，具备自动测试功能，实现了可连续加载测试。

Description

采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及数控机床的伺服驱动仿真技术，具体涉及采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置及方法。

背景技术

数控机床作为装备制造业的核心，正在向高速度、高精度、智能化、复合化、环保化方向发展，伺服驱动装置作为执行机构，也对其提出了更高的要求，它的性能直接影响到其所带动的各式机械设备的相关性能。对于伺服系统来说，由于工作条件和环境不同，它们的执行元件所承受的负载也不一样。可变转矩负载模拟装置是仿真实验的重要设备，主要功能是在实验室条件下模拟实际工作的环境，对被测系统施加与实际工况相对应的负载，从而真实地反映出伺服系统的实际性能。

目前，负载模拟装置一般采用的加载方式大致是：电液伺服装置加载、电磁加载和电机加载等。电液伺服加载主要优点是可实现连续加载，且频带较宽，输出负载力矩大，但存在液压源体积大、功耗和噪声大，容易产生多余力矩等缺点。电磁加载设备主要有测功机和磁粉制动器等，主要优点是转速范围宽，控制方便，制动力矩大，可实现自动化操作等，缺点是存在低速时加不上载荷的现象，不可连续加载，容易出现磁路饱和磁滞效应，使得力矩与电流并不是严格的线形关系。电机加载设备目前主要采用直流电机或力矩电机，直流电机作为加载元件主要存在电枢电流大，功率损失大，以及换向器的问题。采用力矩电机作为加载元件，能够提供较宽范围力矩，响应速度较快，但速度范围有限，不能主动拖动被测元件，操作复杂，负载装置侧的能量主要以热能的方式耗掉。总之，上述加载方式优缺点并存，没有较理想的解决方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，本装置可以模拟任意大小的扭矩负载，且模拟扭矩范围宽、精度高、响应快，可调速度范围宽和上位机组成闭环系统，可以实时调节，具备自动测试功能，实现了可连续加载测试。

本发明的另一目的在于提供上述采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，设置有底座、3个支撑座、被测电机、被测伺服驱动单元、负载电机、负载侧伺服驱动单元、传感器以及连轴器(1)、连轴器(2)，其中，所述底座固定在地基上，3个支撑座安装在底座上，并可在底座上前后移动以调整距离，被测电机、传感器和负载电机分别安装在一个支撑座上，被测电机的输出轴通过连轴器(1)和传感器的其中一个输入端机械连接，传感器的另一输入端和负载电机通过连轴器(2)机械连接；被测伺服驱动单元和被测电机通过电气连接，以控制被测电机的扭矩、转速和位置角度，同理，负载侧伺服驱动单元和负载电机通过电气连接，以控制负载电机的扭矩、转速；传感器的输出端与上位机电气连接，用以检测连轴器(1)、连轴器(2)上的转速和扭矩信息，然后反馈给上位机；上位机用以发送指令控制被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元，并依据传感器的反馈信息来动态调节给被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元的控制指令。

所述上位机设置有用户图形显示界面。

所述上位机设置有数据采集卡，用以采集记录传感器上传的测量数据。

所述数据采集卡优选嵌入式NI PCI 6602。

上述采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的实现方法，具体为：

上位机输出转速指令给被测伺服单元，输出扭矩指令给负载侧伺服单元，被测伺服单元根据转速指令驱动被测电机并带动负载电机运行，负载侧伺服单元根据扭矩指令驱动负载电机产生相应的扭矩，该扭矩通过连轴器(2)、传感器、连轴器(1)所组成的传动装置施加于被测电机轴上，传感器作为检测元件将连轴器(1)、连轴器(2)的转子上转速和扭矩信息反馈给上位机，上位机根据实际需要来调节整个伺服装置的转速和扭矩，以达到模拟负载的目的。

上述方法中，上位机提供图形化用户界面，完成对系统硬件的配置和对用户界面和控制参数的设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到电动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。

上述方法中，被测伺服单元与被测电机组成的系统工作于速度方式时，处于电动状态，用来控制整个模拟装置的速度；负载侧伺服单元与负载电机组成的系统工作于转矩闭环方式时，处于发电状态，通过控制负载电机的电流来改变负载电机的转矩大小，模拟被测电机的负载静态和动态变化。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

1、结构简单，成本低廉，解决了现存的负载模拟装置结构复杂、操作不便的技术问题；

2、克服了测功机、磁粉制动器等加载装置的缺陷，从电机零速到最高转速都可以连续加载，且不需要冷却装置；

3、两个电机可以对拖，不需安装制动装置，并将负载侧电机的95％的能量反馈给电网，既节能又环保，克服了现有加载装置只能将能量以热能的方式耗掉的缺点；

4、与现有技术比较，本发明可以模拟任意大小的扭矩负载，且模拟扭矩范围宽、精度高、响应快，和上位机组成闭环系统，可以实时调节，具备自动测试功能和连续静态和动态加载测试。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的整体工作原理图；

图3是本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，如图1所示，设置有底座1、支撑座2、支撑座3、支撑座4、被测电机5、被测伺服驱动单元(图中未示出)、负载电机6、负载侧伺服驱动单元(图中未示出)、传感器7以及连轴器8、连轴器9，其中，所述底座1固定在地基上，3个支撑座安装在底座1上，并可在底座1上前后移动以调整距离，被测电机5、传感器7和负载电机6分别安装在一个支撑座上，被测电机5的输出轴通过连轴器8和传感器7的其中一个输入端机械连接，传感器7的另一输入端和负载电机6通过连轴器9机械连接；被测伺服驱动单元和被测电机5通过电气连接，以控制被测电机5的扭矩、转速和位置角度，同理，负载侧伺服驱动单元和负载电机通过电气连接，以控制负载电机6的扭矩、转速和位置角度；传感器7的输出端与上位机电气连接，用以检测连轴器8、连轴器9上的转速和扭矩信息，然后反馈给上位机；上位机用以发送指令控制被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元，并依据传感器7的反馈信息来动态调节给被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元的控制指令。

总的来说，如图2所示，被测电机和负载电机通过两个连轴器以及传感器机械连接，实现电机对拖，再生能量直接回馈到电网上。被测电机的给定负载来源于负载电机，通过调节负载侧伺服驱动单元，负载电机输出连续扭矩，可以测量被测电机的过载能力、温升实验、堵转试验、电机突加减负载试验等。

上述采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的工作原理，如图3所示：

上位机输出转速指令给被测伺服单元，输出扭矩指令给负载侧伺服单元，被测伺服单元根据转速指令驱动被测电机并带动负载电机运行，负载侧伺服单元根据扭矩指令驱动负载电机产生相应的扭矩，该扭矩通过连轴器(2)、传感器、连轴器(1)所组成的传动装置施加于被测电机轴上，传感器作为检测元件将连轴器(1)、连轴器(2)的转子上转速和扭矩信息反馈给上位机，上位机根据实际需要来调节整个伺服装置的转速和扭矩，以达到模拟负载的目的。

上位机用于提供图形化用户界面，完成对系统硬件的配置和对用户界面和控制参数的设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到电动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。与此同时，上位机还通过嵌入式NI PCI 6602数据采集卡完成对非控制参量，如电机转速、扭矩、位置、温度等的测量工作。

上述方法中，被测伺服单元与被测电机组成的系统工作于速度方式时，处于电动状态，用来控制整个模拟装置的速度；负载侧伺服单元与负载电机组成的系统工作于转矩闭环方式时，处于发电状态，通过控制负载电机的电流来改变负载电机的转矩大小，模拟被测电机的负载变化，动态响应较快，可以快速产生所需的扭矩。当施加给被测电机的负载和转速方向相反时，被测电机处于发电状态，负载电机处于电动状态，完成各种负载模拟试验。

实际操作上，本模拟装置可在两种工作模式下运行：自动工作模式和手动工作模式，主要测试项目有：1)电机过载能力试验2)电机堵转试验3)电机温升试验4)模拟实际切削时的电机突加减负载试验5)伺服驱动器负载下的温升实验6)驱动器带负载能力测试实验等。

自动工作模式下，上位机根据用户完成软硬件的设置和配置，然后选择负载测试或定参数测试，负载测试下用户需要设置负载曲线、负载时间、循环时间以及测试时间等测试参数；定参数测试下，用户可以选择指定扭矩、转速或是位置，并设置相应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以后，就可以启动测试程序，测试系统即按照用户制定的负载自动加载同时完成对待测电机的性能测试；或是通过一定的控制算法保持定标参数的稳定并对该状态下的待测电机进行自动测试。系统运行的同时，用户可以在实时监测图表中观察各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到电动机特性曲线，并可将感兴趣的图表导出存盘。当完成测试时间后，系统自动终止测试。

手动工作模式下，系统工作原理与自动工作模式下基本类似，只是系统不进行循环测试，而是提供一种交互式的测试环境，完成指定的测试项目后，等待用户的进一步操作，如恒扭矩的测试，只需给定一个固定的扭矩指令即可。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，其特征在于：设置有底座、3个支撑座、被测电机、被测伺服驱动单元、负载电机、负载侧伺服驱动单元、传感器以及连轴器(1)、连轴器(2)，其中，所述底座固定在地基上，3个支撑座安装在底座上，并可在底座上前后移动以调整距离，被测电机、传感器和负载电机分别安装在一个支撑座上，被测电机的输出轴通过连轴器(1)和传感器的其中一个输入端机械连接，传感器的另一输入端和负载电机通过连轴器(2)机械连接；被测伺服驱动单元和被测电机通过电气连接，以控制被测电机的扭矩、转速和位置角度，同理，负载侧伺服驱动单元和负载电机通过电气连接，以控制负载电机的扭矩、转速和位置角度；传感器的输出端与上位机电气连接，用以检测连轴器(1)、连轴器(2)上的转速和扭矩信息，然后反馈给上位机；上位机用以发送指令控制被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元，并依据传感器的反馈信息来动态调节给被测伺服驱动单元和负载侧伺服驱动单元的控制指令。

2.根据权利要求1所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，其特征在于：所述上位机设置有用户图形显示界面。

3.根据权利要求1所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，其特征在于：所述上位机设置有数据采集卡，用以采集记录传感器上传的测量数据。

4.根据权利要求3所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置，其特征在于：所述数据采集卡为嵌入式NI PCI 6602。

5.根据权利要求1所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的实现方法，其特征在于，具体为：

上位机输出转速指令给被测伺服单元，输出扭矩指令给负载侧伺服单元，被测伺服单元根据转速指令驱动被测电机并带动负载电机运行，负载侧伺服单元根据扭矩指令驱动负载电机产生相应的扭矩，该扭矩通过连轴器(2)、传感器、连轴器(1)所组成的传动装置施加于被测电机轴上，传感器作为检测元件将连轴器(1)、连轴器(2)的转子上转速和扭矩信息反馈给上位机，上位机根据实际需要来调节整个伺服装置的转速和扭矩，以达到模拟负载的目的。

6.根据权利要求5所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的实现方法，其特征在于：上述方法中，上位机提供图形化用户界面，完成对系统硬件的配置和对用户界面和控制参数的设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到电动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。

7.根据权利要求5所述的采用交流伺服电机作为可变转矩负载的模拟装置的实现方法，其特征在于：上述方法中，被测伺服单元与被测电机组成的系统工作于速度方式时，处于电动状态，用来控制整个模拟装置的速度；负载侧伺服单元与负载电机组成的系统工作于转矩闭环方式时，处于发电状态，通过控制负载电机的电流来改变负载电机的转矩大小，模拟被测电机的静态和动态负载变化。

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