CN106773793A - 一种电动变加载仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动变加载仿真系统及方法。该系统包括：仿真计算机101、加载系统102、力矩传感器103、承载系统104；所述加载系统102包含控制器1021、加载电机1023驱动装置1022、加载电机1023、调理电路1024；所述仿真计算机101与所述控制器1021的一端相连；所述控制器1021的另一端与所述加载电机1023驱动装置1022的一端相连，所述加载电机1023驱动装置1022的另一端与所述加载电机1023的输入端相连；所述力矩传感器103安装在所述加载电机1023的输出端；所述加载电机1023采用中空转子结构；所述承载系统104包含承载电机1041、光电编码器1042、承载电机1041驱动装置；所述加载电机1023、所述力矩传感器103和所述承载电机1041同轴相连。采用本发明的系统及方法能够有效提高系统的输出精度。

Description

一种电动变加载仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及电机加载领域，特别是涉及一种电动变加载仿真系统及方法。

背景技术

舵机是改变船舶或飞行器航行方向时，将舵转至所需角度的装置，通常安装于船舶或飞行器的尾部，由驾驶人员在驾驶台上通过操纵装置和传动装置远距离操纵。在航空航天方面，舵机也是飞行控制系统的重要组成部分，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动等都是靠舵机相互配合完成的。舵机在许多工程上都有应用，其性能的好坏直接决定着飞行器的动态品质。随着我国航天、航空科技的不断发展，对舵机系统性能指标的要求越来越高，而舵机性能指标的实验测试尤为重要。如果采用现场实验去测试舵机的性能指标，不仅浪费了国家技术人员的时间和国家经费，而且由于天气等原因实验不能随时进行，实验次数少，不能够得到准确完整的实验数据，无形地增加了研制周期。由于舵机系统研制技术复杂、生产周期长、制造成本高，一旦现场实验失败，将造成无法挽回的损失。加载系统102对于高效研究舵机系统性能指标起到关键性作用，因此，提高加载系统102的响应速率以及测试精度，模拟其在飞行过程中所受到的力矩负载具有重要意义。

目前，国内现有加载系统102一般是机械式和电液式，但这种传统的机械式和电液式的加载系统102体积大、造价高、机械结构复杂，使用不方便，使得加载系统102力矩输出精度低；国内现有的大力矩电动加载系统102都是伺服电动机配减速装置的驱动方式，但由于减速机构存在磨损，使其在可靠性、运行效率、维护等方面存在诸多缺陷，从而影响加载系统102力矩输出精度。目前，直驱式直接电力驱动电机经常采用旋转式三相异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机，但是这些电机功率因数和效率较低、转矩波动较大，不能满足加载系统102高效率、高精度的需求。并且传统的电机采用实心转子结构，转动惯量大，成本高，进一步限制了系统动态响应速率及其力矩输出精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动变加载仿真系统及方法，能够提高变加载仿真系统的动态响应速率和输出精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电动变加载仿真系统，包括：仿真计算机101、加载系统102、力矩传感器103、承载系统104；

所述加载系统102包含控制器1021、加载电机1023驱动装置1022、加载电机1023、调理电路1024；

所述仿真计算机101与所述控制器1021的一端相连；

所述控制器1021的另一端与所述加载电机1023驱动装置1022的一端相连，所述加载电机1023驱动装置1022的另一端与所述加载电机1023的输入端相连；

所述力矩传感器103安装在所述加载电机1023的输出端；

所述加载电机1023采用中空转子结构；

所述承载系统104包含承载电机1041、光电编码器1042、承载电机1041驱动装置；

所述加载电机1023、所述力矩传感器103和所述承载电机1041同轴相连；

所述调理电路1024与所述力矩传感器103、所述光电编码器1042、所述控制器1021相连接。

可选的，所述承载电机1041与所述光电编码器1042同轴连接。

可选的，所述加载系统102采用纯电动结构形式。

可选的，所述加载电机1023为正弦波驱动永磁同步电机。

还有一种电动变加载仿真方法，所述方法应用于所述电动变加载仿真系统，包括：

获取加载电机1023实际输出的力矩信号；

获取转轴实际转动的位置信号；

将所述力矩信号传送至控制器1021，生成反馈力矩信号；

所述位置信号传送至控制器1021，生成反馈位置信号；

判断期望力矩信号和反馈力矩信号是否相等，得到第一判断结果；所述期望力矩信号表示的是实际期望输出的力矩信号；

当第一判断结果为期望力矩信号和所述反馈力矩信号不相等，调节所述力矩信号直至所述反馈力矩信号与所述期望力矩信号相等；

判断期望位置信号和所述位置信号是否相等，得到第二判断结果；所述期望位置信号表示的是实际期望转轴转动的角度；

当第二判断结果为期望力矩信号和所述反馈位置信号不相等，调节所述位置信号直至所述反馈位置信号与所述期望位置信号相等。

可选的，在获取力矩信号之前，还包括：

获取力矩指令；所述力矩指令是控制器1021根据期望力矩指令采用闭环算法计算得到的；所述期望力矩指令是由仿真计算机101发出的；

根据所述力矩指令转换成模拟信号；

将所述模拟信号发送到加载电机1023驱动装置1022产生电压信号；

根据所述电压信号产生力矩信号。

可选的，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为正弦力矩指令。

可选的，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为阶跃力矩指令。

可选的，调节所述力矩信号，包括：

当所述反馈力矩信号小于所述期望力矩信号，增大所述电压信号来增加所述力矩信号；

当所述反馈力矩信号大于所述期望力矩信号，减小所述电压信号来降低所述力矩信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用转子中空结构电机，大大减小了系统的转动惯量，提高了系统的动态响应速率，并且加载系统102与承载系统104同轴相连，没有了传统的减速结构，提高了能量利用率，由于调理电路1024接收力矩传感器103检测的力矩信号以及编码器检测的位置信号，并将所述力矩信号和位置信号发送给控制器1021，实现一个双闭环系统，极大的提高了系统的输出精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电动变加载仿真系统结构图；

图2为本发明实施例的电动变动加载仿真方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电动变加载仿真系统及方法，能够提高电动变加载仿真系统的动态响应速率和系统的输出精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的电动变加载仿真系统结构图，如图1所示，一种电动变加载仿真系统，包括：仿真计算机101、加载系统102、力矩传感器103、承载系统104；

所述加载系统102包含控制器1021、加载电机1023驱动装置1022、加载电机1023、调理电路1024；

所述仿真计算机101与所述控制器1021的一端相连；

所述控制器1021的另一端与所述加载电机1023驱动装置1022的一端相连，所述加载电机1023驱动装置1022的另一端与所述加载电机1023的输入端相连；

所述力矩传感器103安装在所述加载电机1023的输出端；

所述加载电机1023采用中空转子结构；

所述承载系统104包含承载电机1041、光电编码器1042、承载电机1041驱动装置1043；

所述加载电机1023、所述力矩传感器103和所述承载电机1041同轴相连；

所述调理电路1024与所述力矩传感器103、所述光电编码器1042、所述控制器1021相连接。

其中，所述加载电机1023驱动装置1022根据不同情况采用PWM驱动装置、PFM驱动装置等。

具体的，所述承载电机1041与所述光电编码器1042同轴连接，采用新型直驱式转动结构，将所述加载电机1023与所述承载电机1041通过法兰直接连接，省却了传统的减速结构，提高了系统的能量利用率，消除了传动机构运行产生的振动与噪音，降低了系统运行的维护成本，根据上述仿真系统能够提高系统的响应速率以及系统的输出精度。

具体的，所述加载系统102采用纯电动结构形式，所述加载电机1023为正弦波驱动永磁同步电机；功率因数高，效率高，避免了传统无刷直流电机和开关磁阻电机转矩波动大的缺点，有效提高了系统的输出精度。

本发明还包括一种电动变加载仿真方法，所述电动变加载仿真方法应用于所述电动变加载仿真系统。图2为电机变动加载仿真方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：

步骤S201：获取加载电机1023实际输出的力矩信号；

步骤S202：获取转轴实际转动的位置信号；

步骤S203：将所述力矩信号传送至控制器1021，生成反馈力矩信号；

步骤S204：所述位置信号传送至控制器1021，生成反馈位置信号；

步骤S205：判断期望力矩信号和反馈力矩信号是否相等，得到第一判断结果；当第一判断结果为是时，执行步骤S207，否则执行步骤S206；

步骤S206：调节所述力矩信号之后，返回步骤S201；

步骤S207：判断期望位置信号和所述位置信号是否相等，得到第二判断结果；所述期望位置信号表示的是实际期望转轴转动的角度；当所述第二判断结果为是时，程序结束；否则，执行步骤S208；

步骤S208：调节所述位置信号之后，返回步骤S202。

其中，所述期望力矩信号表示的是实际期望输出的力矩信号；所述期望位置信号表示的是实际期望转轴转动的角度；

调节所述力矩信号直至所述反馈力矩信号与所述期望力矩信号相等；

调节所述位置信号直至所述反馈位置信号与所述期望位置信号相等。

本发明采用上述方法，输出转矩大，最大转矩大于3000Nm，可适应范围较宽的负载；输出精度高，测量转角位置精度优于±0.1°，效率高；带宽高，该闭环系统在伯德(Bode)图中的幅频特性曲线下降到-3db，相频特性曲线为-90deg时，系统带宽大于75Hz，动态响应显著提高；同时对力矩信号以及位置信号的双重判断，实现双闭环系统，从而提高了系统的输出精度。

具体的，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为正弦力矩指令。所述承载系统104处于自然释放状态。

具体的，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为阶跃力矩指令。所述承载系统104根据所述阶跃力矩指令产生相应的负载。

本发明根据不同的期望力矩指令形式，使得所述承载系统104呈现不同的运行状态，使得本发明的加载方式比传统静态加载方式更能真实有效的反应实际运行状况，提高了电动变加载系统102的运行可靠性。

本发明还包括另一种电动变加载仿真方法，具体步骤如下：

步骤S301：获取力矩指令；所述力矩指令是控制器1021根据期望力矩指令采用闭环算法计算得到的；所述期望力矩指令是由仿真计算机101发出的；

步骤S302：根据所述力矩指令转换成模拟信号；

步骤S303：将所述模拟信号发送到加载电机1023驱动装置1022产生电压信号；

步骤S304：根据所述电压信号产生力矩信号。

步骤S305：获取加载电机1023实际输出的力矩信号；

步骤S306：获取转轴实际转动的位置信号；

步骤S307：将所述力矩信号传送至控制器1021，生成反馈力矩信号；

步骤S308：所述位置信号传送至控制器1021，生成反馈位置信号；

步骤S309：判断期望力矩信号和反馈力矩信号是否相等，得到第一判断结果；所述期望力矩信号表示的是实际期望输出的力矩信号；

步骤S310：当第一判断结果为否时，判断所述反馈力矩信号是否大于所述期望力矩信号，得到第二判断结果；当所述第二判断结果为是时，执行步骤S311，否则执行步骤S312；

步骤S311：减小所述电压信号来降低所述力矩信号；返回步骤S305；

步骤S312：增大所述电压信号来增加所述力矩信号；返回步骤S305；

步骤S313：当第一判断结果为是时，判断期望位置信号和所述位置信号是否相等，得到第三判断结果；

步骤S314：当第三判断结果为否时，调节所述位置信号之后，返回步骤S306；否则，程序结束。

调节所述位置信号直至所述反馈位置信号与所述期望位置信号相等。

本发明采用该方法，通过精确调节力矩输出信号和位置输出信号能够有效提高电动变加载仿真系统的动态响应速率和系统的输出精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电动变加载仿真系统，其特征在于，包括：仿真计算机101、加载系统102、力矩传感器103、承载系统104；

所述加载系统102包含控制器1021、加载电机1023驱动装置1022、加载电机1023、调理电路1024；

所述仿真计算机101与所述控制器1021的一端相连；

所述控制器1021的另一端与所述加载电机1023驱动装置1022的一端相连，所述加载电机1023驱动装置1022的另一端与所述加载电机1023的输入端相连；

所述力矩传感器103安装在所述加载电机1023的输出端；

所述加载电机1023采用中空转子结构；

所述承载系统104包含承载电机1041、光电编码器1042、承载电机1041驱动装置；

所述加载电机1023、所述力矩传感器103和所述承载电机1041同轴相连；

所述调理电路1024与所述力矩传感器103、所述光电编码器1042、所述控制器1021相连接。

2.根据权利要求1所述的电动变加载仿真系统，其特征在于，所述承载电机1041与所述光电编码器1042同轴连接。

3.根据权利要求1所述的电动变加载仿真系统，其特征在于，所述加载系统102采用纯电动结构形式。

4.根据权利要求1所述的电动变加载仿真系统，其特征在于，所述加载电机1023为正弦波驱动永磁同步电机。

5.一种电动变加载仿真方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4的电动变加载仿真系统，包括：

获取加载电机1023实际输出的力矩信号；

获取转轴实际转动的位置信号；

将所述力矩信号传送至控制器1021，生成反馈力矩信号；

所述位置信号传送至控制器1021，生成反馈位置信号；

判断期望力矩信号和反馈力矩信号是否相等，得到第一判断结果；所述期望力矩信号表示的是实际期望输出的力矩信号；

当第一判断结果为期望力矩信号和所述反馈力矩信号不相等，调节所述力矩信号直至所述反馈力矩信号与所述期望力矩信号相等；

判断期望位置信号和所述位置信号是否相等，得到第二判断结果；所述期望位置信号表示的是实际期望转轴转动的角度；

当第二判断结果为期望力矩信号和所述反馈位置信号不相等，调节所述位置信号直至所述反馈位置信号与所述期望位置信号相等。

6.如权利要求5所述的电动变加载仿真方法，其特征在于，在获取力矩信号之前，还包括：

获取力矩指令；所述力矩指令是控制器1021根据期望力矩指令采用闭环算法计算得到的；所述期望力矩指令是由仿真计算机101发出的；

根据所述力矩指令转换成模拟信号；

将所述模拟信号发送到加载电机1023驱动装置1022产生电压信号；

根据所述电压信号产生力矩信号。

7.如权利要求6所述的电动变加载仿真方法，其特征在于，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为正弦力矩指令。

8.如权利要求6所述的电动变加载仿真方法，其特征在于，所述获取力矩指令之前，还包括：

向所述控制器1021发送一个期望力矩指令；所述期望力矩指令为阶跃力矩指令。

9.如权利要求7-8任一项所述的电动变加载仿真方法，其特征在于，调节所述力矩信号，包括：

当所述反馈力矩信号小于所述期望力矩信号，增大所述电压信号来增加所述力矩信号；

当所述反馈力矩信号大于所述期望力矩信号，减小所述电压信号来降低所述力矩信号。