CN105811844A - 一种伺服系统可变惯量控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服系统可变惯量控制方法与装置，装置包括底座、升降台、电机固定装置、永磁同步电机、转矩传感器、磁粉离合器、绝对式光电编码器、曲柄滑块机构、拖台、预紧螺栓和紧固螺母。通过控制磁粉离合器的激磁电流来控制曲柄滑块机构和永磁同步电机的脱离和接合，利用绝对式光电编码器测量曲柄滑块机构的位置角度，进而计算出系统的等效转动惯量。本发明不仅可以实现伺服系统的惯量突变，而且可以实现伺服系统的惯量渐变。

Description

一种伺服系统可变惯量控制方法与装置

【技术领域】

本发明属于机电控制技术领域，尤其涉及一种伺服系统可变惯量控制方法与装置。

【背景技术】

永磁同步电机具有体积小、效率高、电磁转矩大、控制方便等诸多优点，已广泛应用于高性能、高精度的控制场合，如数控机床、工业机器人、航空航天等领域。高性能的伺服系统对永磁同步电机的速度动态性能有很高的要求。在电机实际运行过程中，负载转动惯量的变化会改变控制对象的数学模型，进而影响伺服系统的动态性能，降低整个系统的伺服特性。为提高伺服系统的控制性能，需要对转动惯量进行辨识，以获得转动惯量的准确数值并用于伺服控制。

在对永磁交流伺服系统进行惯量辨识时，需要改变系统的转动惯量以验证辨识算法的正确性和有效性。常规的方法是将电机轴和磁粉离合器连接，通过控制离合器的脱离和接合，根据联轴器和磁粉离合器的尺寸和质量，计算出离合前后伺服系统总的转动惯量。这种方法虽然能够改变伺服系统的转动惯量，但仅能实现惯量的突加和突卸，与实际应用中转动惯量动态时变的情况不太相符。

【发明内容】

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种伺服系统可变惯量控制方法与装置，该装置不仅可以实现伺服系统的惯量突变，而且可以实现伺服系统的惯量渐变。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种伺服系统可变惯量装置，包括底座、永磁同步电机和磁粉离合器；所述的底座上设置有立柱，立柱顶部设置有试验台；所述的永磁同步电机与底座连接；所述的试验台底部设置有拖台，顶部安装有曲柄滑块机构；所述的磁粉离合器安装在拖台上，磁粉离合器的输入轴与永磁同步电机的输出轴连接，磁粉离合器的输出轴与曲柄滑块机构连接，通过调节磁粉离合器的激磁电流以控制曲柄滑块机构和永磁同步电机的脱离和接合；磁粉离合器的输出轴上设置有用于测量曲柄滑块机构的位置角度的绝对式光电编码器。

作为本发明方进一步改进，所述的永磁同步电机通过升降台与底座上的立柱连接，所述的升降台上设置有用于调节位置高度的紧固螺母。

作为本发明方进一步改进，所述的升降台上设置有电机固定装置，永磁同步电机依靠电机固定装置和预紧螺栓固定。

作为本发明方进一步改进，所述的磁粉离合器与永磁同步电机之间设置有转矩传感器。

作为本发明方进一步改进，所述的曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述的曲柄一端与磁粉离合器的输出轴固定，连杆与曲柄及滑块铰接，滑块下端活动设置在试验台的滑槽内。

作为本发明方进一步改进，所述的曲柄和连杆的长度相等。

作为本发明方进一步改进，所述的永磁同步电机、磁粉离合器和绝对式光电编码器同轴安装。

一种伺服系统可变惯量装置的控制方法，包括：惯量突变、电惯量模拟和惯量渐变三种工作模式；

惯量突变工作模式是将永磁同步电机和磁粉离合器连接，磁粉离合器的输出轴不连接负载，永磁同步电机带动磁粉离合器旋转，使磁粉离合器处于同步工作状态；通过控制磁粉离合器的激磁电流来控制离合器和永磁同步电机的脱离和接合，实现系统转动惯量的突变；

电惯量模拟工作模式是将磁粉离合器的从动转子固定形成制动器，使离合器处于滑差工作状态，通过控制激磁电流的大小来控制传递转矩，实现机械惯量的电惯量模拟，负载模拟器的输出转矩满足：

${T_L}^{\′}=T_L+J_L\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}$

式中T′_L为负载模拟器的输出转矩；T_L为负载转矩；J_L为负载的转动惯量；ω为电机的角速度；

惯量渐变工作模式是永磁同步电机通过磁粉离合器驱动曲柄滑块机构，使磁粉离合器处于同步工作状态，利用绝对式光电编码器测量曲柄滑块机构的位置角度，实现系统转动惯量的周期性渐变。

所述的转动惯量的周期性渐变，具体实现步骤包括：

以等效前后动能相等为依据，推导出曲柄滑块机构的等效转动惯量的数学模型J_E(θ)；

通过绝对式光电编码器测量获取曲柄滑块机构的位置角度θ；

利用等效惯量J_E(θ)变化与位置θ之间存在的关系，由位置值θ实时计算出曲柄滑块机构的等效惯量J_E(θ)；

伺服系统总的转动惯量J为等效转动惯量J_E(θ)和电机及其它部分的惯量之和J_M的叠加。

等效转动惯量J_E(θ)满足：

$J_E\left(\mathrm{\θ}\right)=(\frac{1}{3}\×M_1\×l^2)+\[(\frac{1}{3}+2{\sin }^2\mathrm{\θ})\×M_2\×l^2\]+M_3\×{(2l\×sin\mathrm{\θ})}^2$

式中，M₁、M₂和M₃分别为曲柄、连杆和滑块的质量，l为曲柄和连杆的长度，θ为曲柄的转动角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种伺服系统可变惯量装置，包括底座、永磁同步电机和磁粉离合器；在以将电机轴和磁粉离合器相连接的常规方法的基础上，对应离合器的输出轴还连接有绝对式光电编码器和曲柄滑块机构，通过控制磁粉离合器的激磁电流来控制曲柄滑块机构和永磁同步电机的脱离和接合，利用绝对式光电编码器测量曲柄滑块机构的位置角度，进而计算出系统的等效转动惯量，以实现伺服系统转动惯量的突变和渐变。本发明装置既可以实现伺服系统的惯量突变，又可以实现伺服系统的惯量渐变，同时还可以用电惯量模拟机械惯量，不需要再配置体积较大的机械惯量盘，结构紧凑，调试方便。

本发明控制方法可以在三种模式下工作：当系统处于惯量突变工作模式时，通过控制磁粉离合器的激磁电流来控制电机轴和磁粉离合器的脱离和接合，实现系统转动惯量的突加和突卸；当系统处于电惯量模拟工作模式时，通过控制磁粉离合器的激磁电流的大小来控制传递转矩，实现系统机械惯量的电惯量模拟；当系统处于惯量渐变工作模式时，通过磁粉离合器驱动曲柄滑块机构，实现系统转动惯量的周期性渐变。

【附图说明】

图1是本发明的伺服系统可变惯量装置结构示意图；

图2是本发明的曲柄滑块机构结构简图；

图中：1-底座；2-升降台；3-电机固定装置；4-永磁同步电机；5-转矩传感器；6-磁粉离合器；7-绝对式光电编码器；8-曲柄滑块机构；9-拖台；10-预紧螺栓；11-紧固螺母。

【具体实施方式】

为更进一步阐述本发明所采用的技术方案，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。该实施方式仅适用于说明和解释本发明，并不构成对发明保护范围的限定。

如图1所示，本发明的一种伺服系统可变惯量装置，包括底座1、升降台2、电机固定装置3、永磁同步电机4、转矩传感器5、磁粉离合器6、绝对式光电编码器7、曲柄滑块机构8、拖台9、预紧螺栓10和紧固螺母11。升降台2活动设置在底座1的立柱上，通过紧固螺母11进行位置调节；电机固定装置3通过预紧螺栓10与升降台2连接。永磁同步电机4依靠电机固定装置3固定，且其输出轴竖直向上设置。底座1的四个立柱上端连接试验台。试验台底部设置有拖台9，拖台9上安装磁粉离合器6，磁粉离合器6输入轴与永磁同步电机4的输出轴连接。磁粉离合器6输出轴上安装有绝对式光电编码器7，并与试验台上部的曲柄滑块机构8连接。

为了保证测量的准确性，永磁同步电机4、转矩传感器5、磁粉离合器6、绝对式光电编码器7同轴设置。

通过控制磁粉离合器6的激磁电流来控制曲柄滑块机构8和永磁同步电机4的脱离和接合，利用绝对式光电编码器7测量曲柄滑块机构8的位置角度，进而计算出系统的等效转动惯量。

具体实施方式如下：

将永磁同步电机4和磁粉离合器6连接，而磁粉离合器6的输出轴不连接负载，永磁同步电机4只拖动磁粉离合器6旋转，使磁粉离合器6处于同步工作状态，通过控制磁粉离合器6的激磁电流来控制电机轴和磁粉离合器6的脱离和接合，实现系统转动惯量的突变。

将磁粉离合器6的从动转子固定形成制动器，使离合器处于滑差工作状态，通过控制激磁电流的大小来控制传递转矩，实现机械惯量的电惯量模拟，具体步骤包括：

通常情况下，伺服系统转动惯量的增减一般采用机械方式，即在系统输出上安装有机械惯量盘，正常工作时永磁同步电机4的转矩平衡方程为：

$T_e-T_L=(J_M+J_L)\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}+B\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

式中，T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩；J_M为电机及其它部分的惯量之和；J_L为负载的转动惯量；B为粘滞摩擦系数；ω为电机的角速度。

在用电惯量模拟机械惯量的时候，伺服系统将去除机械惯量盘，此时永磁同步电机4的转矩平衡方程为：

${T_e}^{\′}-{T_L}^{\′}=J_M\frac{{\mathrm{d\ω}}^{\′}}{dt}+{\mathrm{B\ω}}^{\′}---\left(2\right)$

式中T′_L为负载模拟器的输出转矩。

为保证真实的模拟效果，应确保式(1)和式(2)中的T_e和T′_e、ω和ω′相等，两式相减可得：

${T_L}^{\′}-T_L=J_L\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(3\right)$

即

${T_L}^{\′}=T_L+J_L\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(4\right)$

可以看出，如果要完成机械惯量的电模拟，那么负载模拟器的输出转矩应包括负载转矩和惯量模拟量的补偿转矩。

将磁粉离合器6的从动转子固定时，离合器6便始终工作在滑差状态，成为了制动器。以磁粉离合器6作为负载模拟器，离合器6的传递转矩即为负载模拟器的输出转矩，通过控制激磁电流的大小来控制传递转矩，以此实现机械惯量的电惯量模拟。为了更准确的控制磁粉离合器的输出转矩，在永磁同步电机4与磁粉离合器6的主动转子之间安装有转矩传感器5。

将永磁同步电机4通过磁粉离合器6驱动曲柄滑块机构8，使离合器6处于同步工作状态，利用绝对式光电编码器7测量的曲柄滑块机构8的位置角度信息，实现系统转动惯量的周期性渐变，具体实现步骤包括：

如图2所示，本发明的曲柄滑块机构8结构简图，包括曲柄、连杆和滑块，曲柄与转动轴固定，连杆与曲柄及滑块铰接，滑块下端活动设置在试验台上的滑槽内。曲柄、连杆和滑块的质量分别为M₁、M₂和M₃，曲柄和连杆的长度为L₁＝L₂＝l，L₁的转角为θ，转动角速度为电机角速度ω，L₁作旋转运动，L₂作平面运动，滑块作直线运动，P为速度瞬心，由此可得：

L₁的动能：

$W_1=\frac{1}{2}\×(\frac{1}{3}\×M_1\×L_1^2)\×{\mathrm{\ω}}^2---\left(5\right)$

L₂的动能：

$W_2=\frac{1}{2}\×\[(\frac{1}{3}+2{\sin }^2\mathrm{\θ})\×M_2\×L_2^2\]\×{\mathrm{\ω}}^2---\left(6\right)$

滑块的动能：

$W_3=\frac{1}{2}\×M_3\×{(2L_1\×sin\mathrm{\θ}\×\mathrm{\ω})}^2---\left(7\right)$

以等效前后动能相等为依据，设曲柄滑块机构的等效转动惯量为J_E(θ)，有：

$\frac{1}{2}\×J_E\left(\mathrm{\θ}\right)\×{\mathrm{\ω}}^2=W_1+W_2+W_3---\left(8\right)$

将式(5)、式(6)和式(7)代入式(8)，其中L₁＝L₂＝l，化简后可得：

$J_E\left(\mathrm{\θ}\right)=(\frac{1}{3}\×M_1\×l^2)+\[(\frac{1}{3}+2{\sin }^2\mathrm{\θ})\×M_2\×l^2\]+M_3\×{(2l\×sin\mathrm{\θ})}^2---\left(9\right)$

由此可见，当曲柄滑块机构8设计完成之后，各构件的质量和长度即为确定，等效惯量J_E(θ)仅为曲柄转动角度θ的函数。因此，可以通过绝对式光电编码器7测量获取曲柄滑块机构8的位置角度θ，然后再利用等效惯量J_E(θ)变化与位置θ之间存在的关系，直接由位置值θ实时计算出曲柄滑块机构的等效惯量J_E(θ)，最后可得电机轴上总的转动惯量J为：

J＝J_M+J_E(θ)(10)

式中J_M为电机及其它部分的惯量之和；J_E(θ)为曲柄滑块机构的等效转动惯量。

综上所述，本发明提供的伺服系统可变惯量控制方法与装置可以工作在惯量突变、电惯量模拟和惯量渐变三种模式，不仅可以实现伺服系统的惯量突变，而且可以实现伺服系统的惯量渐变，与实际工况中转动惯量动态时变的情况比较相符，为验证各种惯量辨识算法提供了有效手段。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于，包括底座(1)、永磁同步电机(4)和磁粉离合器(6)；所述的底座(1)上设置有立柱，立柱顶部设置有试验台；所述的永磁同步电机(4)与底座(1)连接；所述的试验台底部设置有拖台(9)，顶部安装有曲柄滑块机构(8)；所述的磁粉离合器(6)安装在拖台(9)上，磁粉离合器(6)的输入轴与永磁同步电机(4)的输出轴连接，磁粉离合器(6)的输出轴与曲柄滑块机构(8)连接，通过调节磁粉离合器(6)的激磁电流以控制曲柄滑块机构(8)和永磁同步电机(4)的脱离和接合；磁粉离合器(6)的输出轴上设置有用于测量曲柄滑块机构(8)的位置角度的绝对式光电编码器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的永磁同步电机(4)通过升降台(2)与底座(1)上的立柱连接，所述的升降台(2)上设置有用于调节位置高度的紧固螺母(11)。

3.根据权利要求2所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的升降台(2)上设置有电机固定装置(3)，永磁同步电机(4)依靠电机固定装置(3)和预紧螺栓(10)固定。

4.根据权利要求1所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的磁粉离合器(6)与永磁同步电机(4)之间设置有转矩传感器(5)。

5.根据权利要求1所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的曲柄滑块机构(8)包括曲柄、连杆和滑块，所述的曲柄一端与磁粉离合器(6)的输出轴固定，连杆与曲柄及滑块铰接，滑块下端活动设置在试验台的滑槽内。

6.根据权利要求5所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的曲柄和连杆的长度相等。

7.根据权利要求1所述的一种伺服系统可变惯量装置，其特征在于：所述的永磁同步电机(4)、磁粉离合器(6)和绝对式光电编码器(7)同轴安装。

8.权利要求1所述的一种伺服系统可变惯量装置的控制方法，其特征在于：包括：惯量突变、电惯量模拟和惯量渐变三种工作模式；

惯量突变工作模式是将永磁同步电机(4)和磁粉离合器(6)连接，磁粉离合器(6)的输出轴不连接负载，永磁同步电机(4)带动磁粉离合器(6)旋转，使磁粉离合器(6)处于同步工作状态；通过控制磁粉离合器(6)的激磁电流来控制离合器和永磁同步电机(4)的脱离和接合，实现系统转动惯量的突变；

电惯量模拟工作模式是将磁粉离合器(6)的从动转子固定形成制动器，使离合器处于滑差工作状态，通过控制激磁电流的大小来控制传递转矩，实现机械惯量的电惯量模拟，负载模拟器的输出转矩满足：

${T_L}^{\′}=T_L+J_L\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}$

式中T′_L为负载模拟器的输出转矩；T_L为负载转矩；J_L为负载的转动惯量；ω为电机的角速度；

惯量渐变工作模式是永磁同步电机(4)通过磁粉离合器(6)驱动曲柄滑块机构(8)，使磁粉离合器(6)处于同步工作状态，利用绝对式光电编码器(7)测量曲柄滑块机构(8)的位置角度，实现系统转动惯量的周期性渐变。

9.根据权利要求8所述的一种伺服系统可变惯量装置的控制方法，其特征在于：所述的转动惯量的周期性渐变，具体实现步骤包括：

以等效前后动能相等为依据，推导出曲柄滑块机构(8)的等效转动惯量的数学模型J_E(θ)；

通过绝对式光电编码器(7)测量获取曲柄滑块机构(8)的位置角度θ；

利用等效惯量J_E(θ)变化与位置θ之间存在的关系，由位置值θ实时计算出曲柄滑块机构(8)的等效惯量J_E(θ)；

伺服系统总的转动惯量J为等效转动惯量J_E(θ)和电机及其它部分的惯量之和J_M的叠加。

10.根据权利要求9所述的一种伺服系统可变惯量装置的控制方法，其特征在于：等效转动惯量J_E(θ)满足：

$J_E\left(\mathrm{\θ}\right)=(\frac{1}{3}\×M_1\×l^2)+\[(\frac{1}{3}+2{\sin }^2\mathrm{\θ})\×M_2\×l^2\]+M_3\×{(2l\×sin\mathrm{\θ})}^2$

式中，M₁、M₂和M₃分别为曲柄、连杆和滑块的质量，l为曲柄和连杆的长度，θ为曲柄的转动角度。