CN106526483A - 一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统及方法，包括底座、升降台、夹紧装置、测试电机、第一减速机、支撑杆、丝杠、滑块、固定装置、导电滑环、顶板、加载电机、第二减速机、推力球轴承、中间板、立柱、预紧螺栓和紧固螺母。通过控制测试电机和第一减速机来驱动支撑杆作水平转动，通过控制加载电机和第二减速机来驱动丝杠旋转从而使滑块作平行移动。利用滑块的位置变化来改变系统的转动惯量，通过加载电机自带的绝对式光电编码器检测滑块的位置和速度，进而计算出系统总的转动惯量及其变化率。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，同时还可以按照一定的变化规律改变转动惯量。

Description

一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统及方法
【技术领域】
本发明涉及一种伺服特性测试系统，尤其是一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统及方法。
【背景技术】
永磁同步电机以体积小、效率高、电磁转矩大、控制方便等优点，越来越广泛的应用于伺服系统中。高性能的伺服系统对永磁同步电机的跟随性能有严格的要求。在电机实际运行过程中，负载转动惯量的变化会对系统的伺服性能造成不良的影响，降低系统的伺服特性。为实现高性能的伺服控制，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。
在对永磁同步电机进行惯量辨识时，需要改变伺服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，本发明提供一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统及方法，该系统不仅可以实现永磁同步电机伺服系统的惯量突变，而且可以实现永磁同步电机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：
一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，包括测试电机、加载电机，以及第一和第二减速机，所述测试电机的输出端连接第一减速机，该第一减速机的输出端连接有支撑杆，该支撑杆在测试电机和第一减速机的驱动下做水平转动；所述加载电机的输出端连接第二减速机，该第二减速机的输出端连接有丝杠，所述丝杠上设置有滑块，该滑块在丝杠的带动下做平移运动；该测试系统通过检测滑块的位置和速度调整转动惯量。
所述加载电机带有绝对式光电编码器，用以检测滑块的位置和速度。
所述第二减速机为单输入双输出结构，其输出轴各接一根丝杠，且对称放置。
所述测试系统进一步包括有推力球轴承，该推力球轴承安装在中间板上，且位于支撑杆下方。
所述测试系统进一步包括有导电滑环，该导电滑环的外环固定在顶板上，该导电滑环的内环固定在固定装置上，且随着支撑杆同步转动。
所述支撑杆、丝杠、滑块、加载电机，以及第二减速机通过固定装置紧固连接。
所述第一减速机安装在中间板上，该第一减速机的输入端与测试电机的输出端紧固连接。
所述测试电机通过升降台与底座上的立柱连接，所述升降台上设置有用于调节位置高度的紧固螺母。
所述升降台上设置有夹紧装置，测试电机依靠夹紧装置和预紧螺栓支撑固定。
一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试方法，包括以下步骤：
(1)根据测试系统惯量可变部分的结构模型，推导出滑块的转动惯量Jv，进而计算测试系统总的转动惯量J；
(2)根据测试系统总的转动惯量J计算测试系统总的转动惯量变化率J'；
(3)获取加载电机的转动角度，通过控制加载电机的转速实现对转动惯量变化率的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过控制加载电机的快速启动和制动，迅速改变滑块在丝杠上的位置，实现系统转动惯量的突加和突卸；通过控制加载电机的转速和转向控制滑块在丝杠上的位置，利用滑块的位置变化来改变系统的转动惯量，实现系统转动惯量的渐变；通过加载电机自带的绝对式光电编码器检测滑块的位置和速度，进而计算出系统总的转动惯量及其变化率。
本发明测试系统既可以实现永磁同步电机的惯量突变，又可以实现永磁同步电机的惯量渐变，同时还可以按照一定的变化规律改变转动惯量，具有较高的灵活性和适应性，不需要再配置体积较大的机械惯量盘，结构紧凑，调试方便。
【附图说明】
图1是本发明的永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统结构示意图；
图2是本发明的测试系统上层惯量可变部分结构简图。
图中：1-底座 2-升降台 3-夹紧装置 4-测试电机 5-第一减速机 6-支撑杆 7-丝杠 8-滑块 9-固定装置 10-导电滑环 11-顶板 12-加载电机 13-第二减速机 14-推力球轴承 15-中间板16-立柱 17-预紧螺栓 18-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，一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，包括底座1、升降台2、夹紧装置3、测试电机4、第一减速机5、支撑杆6、丝杠7、滑块8、固定装置9、导电滑环10、顶板11、加载电机12、第二减速机13、推力球轴承14、中间板15、立柱16、预紧螺栓17和紧固螺母18。本发明通过控制测试电机4和第一减速机5来驱动支撑杆6作水平转动，通过控制加载电机12和第二减速机13来驱动丝杠7旋转从而使滑块8作平移运动。利用滑块8的位置变化来改变系统的转动惯量，通过加载电机12自带的绝对式光电编码器检测滑块8的位置和速度，进而计算出系统总的转动惯量及其变化率。
所述支撑杆6、丝杠7、滑块8、加载电机12和第二减速机13通过固定装置9固连在一起，所述测试电机4和加载电机12均为永磁同步电机，其中，加载电机12带有绝对式光电编码器。所述第二减速机13为单输入双输出结构，其输出轴各接一根丝杠，两个丝杠对称放置。所述加载电机12和第二减速机13驱动丝杠7旋转，使两个滑块8向外或向内同时作水平移动。
为增加水平转动的稳定性，在中间板15和支撑杆6之间安装有推力球轴承14。在加载电机12与顶板11之间安装有导电滑环10，其外环与顶板11固定，内环与固定装置9连接并随支撑杆6同步转动。所述中间板15的上面承接推力球轴承14，下面固定第一减速机5。
另外，在底座1与测试电机4之间，设计有升降台2和夹紧装置3。所述测试电机4通过升降台2与底座1上的立柱16连接，所述升降台2上设置有用于调节其位置高度的紧固螺母18。所述测试电机4依靠夹紧装置3和预紧螺栓17支撑固定。
具体实施方式如下：
测试电机4的输出连接第一减速机5，第一减速机5的输出连接支撑杆6，驱动支撑杆6作水平转动，加载电机12的输出连接第二减速机13，第二减速机13的输出连接丝杠7，驱动丝杠7旋转从而使滑块8作平行移动，通过控制加载电机12的快速启动和制动，迅速改变滑块8在丝杠7上的位置，实现系统转动惯量的突变。通过控制加载电机12的转速和转向控制滑块8在丝杠7上的位置，利用滑块8的位置变化来改变系统的转动惯量，实现系统转动惯量的渐变。
通过加载电机12自带的绝对式光电编码器检测滑块的位置和速度，进而计算出系统总的转动惯量及其变化率，通过控制加载电机12的转速进而控制滑块8在丝杠7上的移动，实现转动惯量按照一定的规律变化。
具体实现步骤包括：
如图2所示，为本发明的测试系统上层惯量可变部分结构简图。支撑杆6、丝杠7、滑块8、加载电机12和第二减速机13通过固定装置9固连在一起，通过测试电机4连接第一减速机5驱动支撑杆6作水平转动，通过加载电机12连接第二减速机13驱动丝杠7旋转从而使滑块8作平行移动。在测试电机4和加载电机12的共同作用下，双侧滑块8作沿中心轴线的旋转运动和沿丝杠的直线运动。
滑块的长度和宽度分别为a和b，质量为m，任一时刻滑块质心到中心轴线的距离为l，由此可得：
滑块对中心轴线的转动惯量Jv为：
测试系统总的转动惯量J为：
J＝Js+2Jv (2)
式中Js为加载电机及其它支撑传动等部分的惯量之和。
为计算系统总的转动惯量J的变化率J'，对式(2)两边求导，则：
式中Js为常量，又因为
将式(4)代入式(3)，化简后可得：
J'＝4mlv (5)
式中v为滑块在丝杠上平行移动的速度。
根据第二减速机和丝杠的工作原理，有：
式中n为加载电机的转速；s为丝杠的导程；i为第二减速机输入端与输出端之间的传动比。
将式(6)代入式(5)可得：
滑块质心到中心轴线的距离l，可通过加载电机自带的绝对式光电编码器实时测量加载电机转动角度θ，并通过加载电机、第二减速机和丝杠的传动关系计算获取。计算公式如下：
将式(8)代入式(7)可得：
由此可见，当测试系统设计完成之后，滑块的质量m、丝杠的导程s以及第二减速机的传动比i即为确定，转动惯量的变化率J'为加载电机转角θ和转速n的函数。加载电机的转动角度θ可以通过自带的绝对式光电编码器实时测量获得，因此，通过控制加载电机的转速n即可实现对转动惯量变化率J'的控制。
综上所述，本发明提供的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，既可以实现永磁同步电机的惯量突变，又可以实现永磁同步电机的惯量渐变，同时还可以按照一定的变化规律改变转动惯量，具有较高的灵活性和适应性，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)

1.一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：包括测试电机(4)、加载电机(12)，以及第一和第二减速机(5、13)，所述测试电机(4)的输出端连接第一减速机(5)，该第一减速机(5)的输出端连接有支撑杆(6)，该支撑杆(6)在测试电机(4)和第一减速机(5)的驱动下做水平转动；所述加载电机(12)的输出端连接第二减速机(13)，该第二减速机(13)的输出端连接有丝杠(7)，该丝杠(7)上设置有滑块(8)，该滑块(8)在丝杠(7)的带动下做平移运动；该测试系统通过检测滑块(8)的位置和速度调整转动惯量。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述加载电机(12)带有绝对式光电编码器，用以检测滑块(8)的位置和速度。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述第二减速机(13)为单输入双输出结构，其输出轴各接一根丝杠(7)，且对称放置。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述测试系统进一步包括有推力球轴承(14)，该推力球轴承(14)安装在中间板(15)上，且位于支撑杆(6)下方。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述测试系统进一步包括有导电滑环(10)，该导电滑环(10)的外环固定在顶板(11)上，该导电滑环(10)的内环固定在固定装置(9)上，且随着支撑杆(6)同步转动。
6.根据权利要求1或5所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述支撑杆(6)、丝杠(7)、滑块(8)、加载电机(12)，以及第二减速机(13)通过固定装置(9)紧固连接。
7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述第一减速机(5)安装在中间板(15)上，该第一减速机(5)的输入端与测试电机(4)的输出端紧固连接。
8.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述测试电机(4)通过升降台(2)与底座(1)上的立柱(16)连接，所述升降台(2)上设置有用于调节位置高度的紧固螺母(18)。
9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统，其特征在于：所述升降台(2)上设置有夹紧装置(3)，测试电机(4)依靠夹紧装置(3)和预紧螺栓(17)支撑固定。
10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的一种永磁同步电机可变惯量伺服特性测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据测试系统惯量可变部分的结构模型，推导出滑块的转动惯量Jv，进而计算测试系统总的转动惯量J；
(2)根据测试系统总的转动惯量J计算测试系统总的转动惯量变化率J'；
(3)获取加载电机的转动角度，通过控制加载电机的转速实现对转动惯量变化率的控制。
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