CN106788024A - 一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置及其控制方法，装置包括：永磁同步电机、减速机、磁粉制动器、磁粉离合器、联轴器、推力球轴承、小电机、模组和滑块。通过控制磁粉制动器的激磁电流来控制永磁同步电机输出轴上的负载转矩，实现转矩的突变；通过控制磁粉离合器的脱离和结合实现惯量的突变；通过控制惯量盘内滑块的位置，改变惯量盘的质量分布，实现惯量的多方式渐变。本发明不仅可以实现伺服系统转矩的突变，同时还可以实现惯量的突变和渐变。

Description

一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置及其控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置及其控制方法，属于机电控制技术领域。

【背景技术】

由于永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点，它可以满足高性能系统要求，如快速动态响应、宽调速范围和高功率因数等，因此被广泛地应用于工业机器人、数控机床、航空航天等热门领域。高性能交流伺服系统不仅要求系统能对伺服指令做出快速响应，而且要求当外部出现扰动或负载对象特征变化时也能保证系统具有良好的鲁棒性，这就要求伺服系统的控制器结构和控制器参数能够随负载特性作适当的调整。

伺服系统的负载转矩和转动惯量的变化对系统影响很大，直接关系到伺服系统的运行性能。对不同的转动惯量，需要对伺服控制器参数以及和系统运行相关的一些参数作相应的调整，若能让系统本身具有识别转动惯量并据识别结果对系统的相应参数进行自动调整和优化的功能，这将对交流伺服系统性能的提高具有非常重要的意义。另外，在永磁交流调速系统中，控制系统速度环的动静态特性会随着负载转矩的改变而变化，负载转矩的变化往往会导致伺服电机转速的波动产生，使得转速产生振荡，无法满足高精度伺服系统的动态性能要求。

因此，在永磁交流伺服系统中，需要对负载转矩和转动惯量进行辨识。在对转动惯量和负载转矩进行辨识时，需要在伺服平台上改变转矩和惯量来验证算法的正确性。传统的方法或是通过电机连接磁粉制动器，单一实现负载转矩的突变；或是通过电机连接磁粉离合器，单一实现转动惯量突变；再或是通过电机同时连接磁粉离合器和制动器，虽能实现转矩和惯量的改变，但仅能实现突变。

【发明内容】

本发明针对传统技术中不合理的地方，为解决以上问题，做了结构和功能上的改进。本发明不仅可以实现永磁交流伺服系统负载转矩的突变，同时还可以实现转动惯量的突变和多方式渐变。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，包括：永磁同步电机、磁粉制动器、磁粉离合器和惯量盘；所述的永磁同步电机连接第一减速机，第一减速机输出轴一端接磁粉制动器，另一端接磁粉离合器，磁粉离合器通过轴与第二减速机连接；

所述的惯量盘设置在支撑板上，惯量盘包括转盘、第三减速机、小电机、模组和滑块，支撑板通过立柱支撑，转盘设置在支撑板上，第二减速机通过推力球轴承与转盘连接；转盘上设置有连接法兰，小电机通过第三减速机与连接法兰连接，连接法兰侧面设置有模组，模组上设置滑块。

所述的模组设置两个，两个模组对称设置。

所述的推力球轴承为双向推力球轴承。

所述的第一减速机输出轴通过联轴器与磁粉离合器连接，联轴器为刚性联轴器。

所述的磁粉制动器安装在挡板上，第一减速机安装在减速机固定板上，挡板、减速机固定板、磁粉离合器、立柱和第二减速机均固定在底座上。

所述的磁粉制动器、第一减速机、磁粉离合器和第二减速机同轴设置。

一种基于所述的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置的控制方法，包括转矩突变、惯量突变和惯量渐变三种工作模式；

转矩突变工作模式是通过永磁同步电机来控制磁粉制动器，当磁粉制动器中的励磁线圈中有电流通过时，激磁电流与传递转矩呈正比例线性关系，通过控制磁粉制动器中激磁电流的大小实现对负载转矩的控制，从而实现对转矩的突变；

惯量突变工作模式是通过磁粉离合器的脱离和结合来实现对转动惯量盘的控制，当磁粉离合器处于脱离状态时，离合器输出轴不连接负载，电机和离合器处于同步工作状态，通过控制磁粉离合器脱离和结合，实现系统转动惯量的突变；

惯量渐变工作模式是当磁粉离合器处于结合状态时，其输出轴接第二减速机传递惯量，第二减速机的输出端接惯量盘，转动惯量盘在水平面内做转动，模组内滑块做直线移动和水平转动，通过移动惯量盘内滑块，改变惯量盘的质量分布，改变系统转动惯量，实现系统惯量多方式渐变。

惯量多方式渐变的实施步骤为：

通过转动惯量与质量的关系以及平行移轴原理，得到惯量盘的转动惯量关系式：

J(M)＝J₁+J_m； (1)

其中，J₁为小电机、第三减速机、转盘的惯量之和；J_m为滑块的转动惯量，是滑块位置与质量的函数；永磁同步电机、第一减速器和第二减速机、磁粉离合器、联轴器及其他部分的转动惯量为固定值，记为J₂；

则伺服系统总的转动惯量J就是惯量盘的转动惯量J(M)和其他转动惯量J₂的叠加，即：

J＝J_m+J₁+J₂； (2)

通过改变滑块的位置改变惯量盘的质量分布，从而改变滑块的转动惯量J_m，达到改变系统总转动惯量J的目的。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明为保证转矩突变和惯量可变的可靠性，采用了减速机来进行负载转矩的传递，将永磁同步电机与磁粉制动器、磁粉离合器，电机与惯量盘连接起来。为了永磁交流伺服系统功能多样性的要求，将磁粉离合器和磁粉制动器融合到同一个装置中，通过控制磁粉制动器中的激磁电流来实现转矩的突变，通过控制磁粉离合器的脱离和结合，又可以实现转动惯量的突变和渐变。不仅可以实现伺服系统负载转矩的突变，同时还可以实现转动惯量的突变和多方式渐变。通过控制磁粉制动器的激磁电流来控制永磁同步电机输出轴上的负载转矩，实现转矩的突变；通过控制磁粉离合器的脱离和结合实现惯量的突变；通过控制惯量盘内滑块的位置，改变惯量盘的质量分布，实现惯量的多方式渐变。本发明克服了传统伺服特性测试装置体积大、结构冗杂、功能单一且测试精度差的缺点，并且将负载转矩突变和转动惯量可变功能融于同一个装置中，具有结构简单稳定，功能多样，测试精度高，调试和维护方便的特点，为负载转矩辨识和转动惯量辨识算法的验证提供了有效的手段。

进一步，本发明还设计了双模组结构，加入了推力球轴承和刚性联轴器等装置，保证了控制系统的可靠性和运行的稳定性。为保证永磁交流伺服装置的控制精度和运行的稳定性，惯量盘采用双模组对称的方式；为增加惯量装置运行的稳定性，在中间板和惯量盘之间安置双向推力球轴承。

进一步，为了使装置能够补偿由于伺服系统高速运转而产生的相对位移。本发明采用了重量轻、惯性低而且灵敏度极高的刚性联轴器。

本发明控制方法可以在三种模式下工作：通过控制磁粉制动器的激磁电流来控制永磁同步电机输出轴上的负载转矩，实现转矩的突变；通过控制磁粉离合器的脱离和结合实现惯量的突变；通过控制惯量盘内滑块的位置，改变惯量盘的质量分布，实现惯量的多方式渐变。

【附图说明】

图1是本发明的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置整体三维图；

图2是本发明的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置惯量盘结构图。

图中，1-磁粉制动器；2-挡板；3-减速机固定板；4-第一减速机；5-联轴器；6-磁粉离合器；7-螺母；8-底座；9-螺柱；10-立柱；11-第二减速机；12-支撑板；13-推力球轴承；14-模组；15-转盘；16-滑块；17-连接法兰；18-第三减速机；19-小电机；20-永磁同步电机。

【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，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，本发明的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其结构包括永磁同步电机20、减速机、磁粉制动器1、磁粉离合器6、联轴器5、推力球轴承13、小电机19、模组14和滑块16等结构，通过永磁同步电机20来控制磁粉制动器1，当磁粉制动器1中有激磁电流通过时，由于激磁电流与传递转矩呈正比例线性关系，通过控制磁粉制动器1中的激磁电流的大小实现对负载转矩的控制；通过磁粉离合器6实现对惯量盘的控制，当磁粉离合器6处于结合状态的时候，其输出轴接减速器传递转矩，惯量盘在水平面内做转动，模组14内滑块16做直线移动和水平转动，改变惯量盘的转动惯量是通过移动惯量盘内滑块16，从而改变惯量盘的质量分布，起到多方式改变系统转动惯量的目的。

先给出本发明一种实施例的具体实施方式：

如图1和图2所示，永磁同步电机20接固定在底座8上的第一减速机4，第一减速机4输出轴一端接磁粉制动器1，另一端接磁粉离合器6。支撑板12通过立柱10固定在底座8上，支撑板12下方设置有第二减速机11，磁粉离合器6连接第二减速机11；支撑板12上设置有转盘15，第二减速机11与转盘15连接；转盘15通过推力球轴承13与支撑板12连接。转盘15上设置有连接法兰17，连接法兰17上设置有小电机19，小电机19连接第三减速机18，连接法兰17两侧设置有模组14，模组14上设置有滑块16，小电机19驱动滑块16在模组14上作直线运动。

当磁粉离合器6输出端不连接负载，即处于脱离状态时，控制磁粉制动器1有激磁电流的通过，由于磁粉制动器1内激磁电流与传递的转矩基本成线性关系，只要改变激磁电流的大小，就可以在较大范围内控制转矩的大小，因此通过改变磁粉制动器1中激磁电流的大小就可以实现负载转矩的突变。

通过磁粉离合器6的脱离和结合来实现对惯量盘转动的控制，当磁粉制动器1处于脱离状态即没有激磁电流经过时，磁粉离合器6输出轴不连接负载，永磁同步电机20和磁粉离合器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。

当磁粉离合器6处于结合状态的时候，其输出轴接第二减速机11传递转矩，第二减速机11的输出端接惯量盘，转动惯量盘在水平面内做转动，模组14内滑块16做直线移动和水平转动，因此改变惯量盘的转动惯量是通过移动惯量盘内滑块16，从而改变惯量盘的质量分布，起到改变系统转动惯量的目的，实现了永磁交流伺服系统惯量多方式渐变的特点。惯量渐变的实施步骤为：

通过转动惯量与质量的关系以及平行移轴原理推导出惯量盘转动惯量与滑块16质量的关系：

J(M)＝J₁+J_m； (1)

其中J₁为小电机19、减速机、转盘15(包括固定装置和连接装置)的惯量之和，J_m为滑块16的转动惯量与质量的关系。永磁同步电机20、减速器、磁粉离合器6、联轴器5等其他部分的转动惯量为固定值，记为J₂；所以，伺服系统总的转动惯量J就是惯量盘的转动惯量J(M)和其他转动惯量J₂的叠加。即：

J＝J_m+J₁+J₂ (2)

综上所述，本发明所涉及到的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置的控制方法，既可以实现伺服系统转矩的突变，同时又可以实现转动惯量的突变和多方式渐变。通过控制磁粉制动器1的激磁电流来控制永磁同步电机20输出轴上的负载转矩，实现转矩的突变；通过控制磁粉离合器6的脱离和结合实现惯量的突变；通过控制惯量盘内滑块16的位置，改变惯量盘的质量分布，实现惯量的多方式渐变。

相较于传统方法，本发明具有结构简单稳定，体积小，功能多样，测试精度高，调试和维护方便的特点。本发明将负载转矩突变和转矩惯量可变功能融于同一装置中，为负载转矩辨识和转动惯量辨识算法的验证提供了有效的手段。

本发明还设计了双模组14对称结构、加入了双向推力球轴承13和刚性联轴器5，这大大增加了永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置的可靠性和运行的稳定性。

上述内容结合附图对本发明具体实施方式做了详细地描述，但本发明并不限于上述实施方式，凡是根据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，均属于本发明保护的技术范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，包括：永磁同步电机(20)、磁粉制动器(1)、磁粉离合器(6)和惯量盘；所述的永磁同步电机(20)连接第一减速机(4)，第一减速机(4)输出轴一端接磁粉制动器(1)，另一端接磁粉离合器(6)，磁粉离合器(6)通过轴与第二减速机(11)连接；

所述的惯量盘设置在支撑板(12)上，惯量盘包括转盘(15)、第三减速机(18)、小电机(19)、模组(14)和滑块(16)，支撑板(12)通过立柱(10)支撑，转盘(15)设置在支撑板(12)上，第二减速机(11)通过推力球轴承(13)与转盘(15)连接；转盘(15)上设置有连接法兰(17)，小电机(19)通过第三减速机(18)与连接法兰(17)连接，连接法兰(17)侧面设置有模组(14)，模组(14)上设置滑块(16)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，所述的模组(14)设置两个，两个模组(14)对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，所述的推力球轴承(13)为双向推力球轴承(13)。

4.根据权利要求1所述的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，所述的第一减速机(4)输出轴通过联轴器(5)与磁粉离合器(6)连接，联轴器(5)为刚性联轴器。

5.根据权利要求1所述的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，所述的磁粉制动器(1)安装在挡板(2)上，第一减速机(4)安装在减速机固定板(3)上，挡板(2)、减速机固定板(3)、磁粉离合器(6)、立柱(10)和第二减速机(11)均固定在底座(8)上。

6.根据权利要求1所述的一种永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置，其特征在于，所述的磁粉制动器(1)、第一减速机(4)、磁粉离合器(6)和第二减速机(11)同轴设置。

7.一种基于权利要求1所述的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置的控制方法，其特征在于，包括转矩突变、惯量突变和惯量渐变三种工作模式；

转矩突变工作模式是通过永磁同步电机(20)来控制磁粉制动器(1)，当磁粉制动器(1)中的励磁线圈中有电流通过时，激磁电流与传递转矩呈正比例线性关系，通过控制磁粉制动器(1)中激磁电流的大小实现对负载转矩的控制，从而实现对转矩的突变；

惯量突变工作模式是通过磁粉离合器(6)的脱离和结合来实现对转动惯量盘的控制，当磁粉离合器(6)处于脱离状态时，离合器输出轴不连接负载，电机和离合器处于同步工作状态，通过控制磁粉离合器(6)脱离和结合，实现系统转动惯量的突变；

惯量渐变工作模式是当磁粉离合器(6)处于结合状态时，其输出轴接第二减速机(11)传递惯量，第二减速机(11)的输出端接惯量盘，转动惯量盘在水平面内做转动，模组(14)内滑块(16)做直线移动和水平转动，通过移动惯量盘内滑块(16)，改变惯量盘的质量分布，改变系统转动惯量，实现系统惯量多方式渐变。

8.根据权利要求7所述的永磁交流伺服系统转矩惯量双可变装置的控制方法，其特征在于，惯量多方式渐变的实施步骤为：

通过转动惯量与质量的关系以及平行移轴原理，得到惯量盘的转动惯量关系式：

J(M)＝J₁+J_m； (1)

其中，J₁为小电机(19)、第三减速机(18)、转盘(15)的惯量之和；J_m为滑块(16)的转动惯量，是滑块(16)位置与质量的函数；永磁同步电机(20)、第一减速器(4)和第二减速机(11)、磁粉离合器(6)、联轴器及其他部分的转动惯量为固定值，记为J₂；

则伺服系统总的转动惯量J就是惯量盘的转动惯量J(M)和其他转动惯量J₂的叠加，即：

J＝J_m+J₁+J₂； (2)

通过改变滑块(16)的位置改变惯量盘的质量分布，从而改变滑块(16)的转动惯量J_m，达到改变系统总转动惯量J的目的。