CN202362431U - 永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，该装置包括嵌入式驱动控制器、可变负载单元、负载控制器和PC机；其中：PC机和嵌入式驱动控制器相连，负载控制器和PC机相连，可变负载单元和负载控制器相连。本实用新型的嵌入式驱动控制器部分采用STM32F103ZE作为控制器，其速度快、功能强大，可以方便的对永磁同步电机进行控制，相比于传统的电机控制器具有很高的性价比；可以实时在线的完成各种变化负载情况下控制算法的性能验证、参数寻优、各种算法的性能比较，以及控制算法的参数调节；PC机的操作界面利用可视化软件LABVIFW编程实现，显示图形准确方便，便于观察和分析电机控制算法性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种电机控制领域的测试装置，尤其涉及的是一种永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置。
背景技术
不同负载情况下永磁同步电机的动态响应指标是评价电机控制算法性能的重要依据。目前测试电机控制算法的性能主要有两种方法：(1)在专用仿真软件环境下建立永磁同步电机的控制模型，在该模型中调整控制参数以及负载参数并进行模拟仿真，通过比较不同参数下的控制性能，最终实现参数寻优；(2)在伺服电机实验台架上通过人工方式施加不同负载，并在控制程序里调整参数，然后控制电机运行并比较不同参数下的控制性能，最终实现参数寻优。第一种方法属于理想情况下的模拟仿真，属于理论验证，具有建立仿真模型快速方便等优点，但所得结果并不一定适合于实际的伺服系统，和实际结果有较大的误差；第二种方法是基于实际伺服平台，所得结果可信度高，但是参数的修改以及负载的改变需要人工参与，费时费力，而且无法实现负载复杂变化情况下的算法验证实验。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型提供了一种永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，通过负载控制器和嵌入式驱动控制器实现了各种变化负载下控制性能的测试和调节。
技术方案：本实用新型包括嵌入式驱动控制器、可变负载单元、负载控制器和PC机；其中：PC机和嵌入式驱动控制器相连，负载控制器和PC机相连，可变负载单元和负载控制器相连。
所述可变负载单元是磁粉制动器，可以产生不同的负载力矩。
所述嵌入式驱动控制器包括第一微控制器、第一光电隔离模块、三相全桥驱动模块、功率驱动模块、编码器模块、电流测量模块、第一电源模块、第一复位模块、存储模块、USB通信模块、第一键盘模块、第一显示模块和电机工作电源模块；其中：第一微控制器分别与第一光电隔离模块、第一电源模块、第一复位模块、存储模块、USB通信模块、第一键盘模块、第一显示模块、编码器模块和电流测量模块相连，三相全桥驱动模块和第一光电隔离模块相连，功率驱动模块分别与三相全桥驱动模块和电机工作电源模块相连，USB通信模块和PC机相连。
所述负载控制器包括第二微控制器、第二光电隔离模块、可控电压源模块、磁粉制动器接口、电压电流测量模块、第二电源模块、第二复位模块、第二键盘模块、RS232通信模块、第二显示模块和24V电源模块；其中：第二微控制器分别与第二光电隔离模块、电压电流测量模块、第二电源模块、第二复位模块、第二键盘模块、RS232通信模块和第二显示模块相连，可控电压源模块分别与第二光电隔离模块、电压电流测量模块、24V电源模块和磁粉制动器接口相连，RS232通信模块和PC机相连，磁粉制动器接口和可变负载单元相连。
本实用新型的工作原理是：工作时，PC机根据用户输入的电机控制算法参数，经过处理后通过USB接口传给嵌入式驱动控制器；嵌入式驱动控制器根据收到的参数执行相应的控制算法控制永磁同步电机运行，并对永磁同步电机运行的各项动态参数进行实时采集，然后通过USB接口传送给PC机；PC机收到这些动态参数后，以曲线的形式实时显示出来，便于对控制性能进行分析。为了测试控制算法在各种负载情况下的控制性能，PC机可将用户设置的负载变化参数通过RS232接口传送给负载控制器，负载控制器收到参数后控制可变负载单元产生对应的负载力矩，该负载力矩施加在永磁同步电机上，同时负载控制器对可变负载单元产生的实际力矩进行实时采集并发送到PC机。
有益效果：本实用新型相比现有技术具有以下优点：(1)嵌入式驱动控制器部分采用STM32F103ZE作为控制器，其速度快、功能强大，可以方便的对永磁同步电机进行控制，相比于传统的电机控制器具有很高的性价比；(2)可以实时在线的完成各种变化负载情况下控制算法的性能验证、参数寻优、各种算法的性能比较，以及控制算法的参数调节；(3)PC机的操作界面利用可视化软件LABVIEW编程实现，显示图形准确方便，便于观察和分析电机控制算法性能。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图；
图2是嵌入式驱动控制器的结构框图；
图3是嵌入式驱动控制器的电机电源工作模块的结构示意图；
图4是嵌入式驱动控制器的第一电源模块的结构示意图；
图5是嵌入式驱动控制器的存储模块的结构示意图；
图6是嵌入式驱动控制器的USB通信模块的结构示意图；
图7是嵌入式驱动控制器的第一显示模块的结构示意图；
图8是嵌入式驱动控制器的第一键盘模块的结构示意图；
图9是嵌入式驱动控制器的第一微控制器的结构示意图；
图10是嵌入式驱动控制器的第一光电隔离模块的结构示意图；
图11是嵌入式驱动控制器的三相全桥驱动模块的结构示意图；
图12是嵌入式驱动控制器的功率驱动模块的结构示意图；
图13是嵌入式驱动控制器的电流测量模块的结构示意图；
图14是嵌入式驱动控制器的编码器模块的结构示意图；
图15是负载控制器的结构框图；
图16是负载控制器的第二微控制器的结构示意图；
图17是负载控制器的RS232通信模块的结构示意图；
图18是负载控制器的可控电压源模块的结构示意图；
图19是负载控制器的电压电流测量模块的结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括嵌入式驱动控制器1、永磁同步电机2、可变负载单元3、负载控制器4和PC机5；嵌入式驱动控制器1和永磁同步电机2通过三相电源线、信号线相连，产生六路PWM信号控制永磁同步电机2的运行，并获得永磁同步电机2的位置和速度信息；PC机5和嵌入式驱动控制器1通过USB通信接口相连，将PC机5上设置的各控制参数传输给嵌入式驱动控制器1，同时将嵌入式驱动控制器1采集到的永磁同步电机2的实时数据传送给PC机5；负载控制器4和PC机5通过RS232通信接口相连，将PC机5上设置的负载力矩参数传送给负载控制器4；可变负载单元3和负载控制器4相连，负载控制器4通过一路PWM信号控制可变负载单元3产生变化的负载力矩，同时对可变负载单元3产生的实际力矩进行采样，并将其发送给PC机5；可变负载单元3和永磁同步电机2同轴相连。本实施例中可变负载单元3是磁粉制动器，可以产生不同的负载力矩。
本实施例中，PC机5上安装LABVIEW(Laboratory Virtual InstrumentationEngineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)测控系统，LABVIEW测控系统包括电机控制算法参数设置部分、负载力矩设置部分和曲线显示部分；电机控制算法参数设置部分用于输入电机控制算法以及参数，并通过USB通信接口把参数传给嵌入式驱动控制器1；负载力矩设置部分用于输入负载力矩的变化参数，并通过RS232通信接口把参数传递给负载控制器4；曲线显示部分将嵌入式驱动控制器1传送过来的电机运行动态数据，以及负载控制器4传送过来的实时负载力矩数据绘制成曲线。
如图2所示，嵌入式驱动控制器1包括第一微控制器6、第一光电隔离模块7、三相全桥驱动模块8、功率驱动模块9、编码器模块10、电流测量模块11、第一电源模块12、第一复位模块13、存储模块14、USB通信模块15、第一键盘模块16、第一显示模块17和电机工作电源模块18；其中：第一微控制器6分别与第一光电隔离模块7、第一电源模块12、第一复位模块13、存储模块14、USB通信模块15、第一键盘模块16、第一显示模块17、编码器模块10和电流测量模块11相连，三相全桥驱动模块8和第一光电隔离模块7相连，功率驱动模块9分别与三相全桥驱动模块8和电机工作电源模块18相连，USB通信模块15和PC机5相连，功率驱动模块9和永磁同步电机2相连并驱动其运动，编码器模块10和电流测量模块11分别与永磁同步电机2相连。本实施例中第一微控制器6为嵌入式控制器，采用32位处理器STM32F103ZE。
图3为嵌入式驱动控制器1的电机电源工作模块18的结构示意图，电机工作电源从J1接进去，经过二极管D1、电容C1和C2后输出电源DC+给电机供电，同时DC+经过两个电阻R5、R6分压后，进入第一微控制器6进行采样；控制电源从J2接入，经二极管D5、电容C4、C5进入电源转换芯片U1产生15V电源，该15V电源为图4中的三相全桥驱动模块8U6提供电源；同时该15V电源通过电源转换芯片U2产生5V电源，为后面的光耦等模块提供电源；电感L6、L7用以把模拟电源和数字电源隔开。
图4为嵌入式驱动控制器1的第一电源模块12的结构示意图，外接5V电源经过二极管D1、开关S1、电容C1、C2进入电源转换模块U1后输出3.3V数字电源，为后续的微控制器等模块供电；为了提高采样精度，上述3.3V数字电源经过电感L1、电容C5、C6后形成的模拟电源3.3V-AV，该模拟电源经过高精度基准电压芯片U2后输出2.5V的电压，为后续的数据采集提供基准电压。
图5为嵌入式驱动控制器1的存储模块14的结构示意图，整个系统的参数保存在芯片U4中。
图6为嵌入式驱动控制器1的USB通信模块15的结构示意图，嵌入式驱动控制器1通过该接口与PC机5通信。
图7是嵌入式驱动控制器1的第一显示模块17的结构示意图，该模块主要由TFT液晶显示屏U5以及电容C20、C21组成，功能在于把电机运行时的动态数据实时显示出来。
图8为嵌入式驱动控制器1的第一键盘模块16，包括机械开关、电阻和电容等。
图9为嵌入式驱动控制器1的第一微控制器6的结构示意图，包括嵌入式微控制器STM32以及其外围电路。
图10为嵌入式驱动控制器1的第一光电隔离模块7的结构示意图，其中U3、U4、U5为光电隔离模块，把电机控制部分和电机驱动部分隔开，减小了强电部分对整个电路的干扰。
图11为嵌入式驱动控制器1的三相全桥驱动模块8的结构示意图，图中芯片U6为三相H桥的驱动芯片。
图12为嵌入式驱动控制器1的功率驱动模块9的结构示意图，图中Q1到Q6为大功率MOSFET管，它们组成了一个三相H桥功率驱动模块，驱动电机运行，J3为永磁同步电机2的接口。
图13为嵌入式驱动控制器1的电流测量模块11的结构示意图，芯片U7、U8感应两相电流并转换成电压信号，并由后续的放大器芯片U9A、U9B进行信号调理；精密电阻R44对母线电流进行采样，并由后续放大器芯片U10B进行信号调理；三相电压经电阻R52、R53、R55、R56、R58、R59，由芯片U11A、U11B、U10A进行采样并调理。
图14为嵌入式驱动控制器1的编码器模块10的结构示意图，其中接口J4是光电编码器的接口，芯片U12对光电编码器信号进行整形。
如图15所示，负载控制器4包括第二微控制器19、第二光电隔离模块20、可控电压源模块21、磁粉制动器接口22、电压电流测量模块23、第二电源模块24、第二复位模块25、第二键盘模块26、RS232通信模块27、第二显示模块28和24V电源模块29；其中：第二微控制器19分别与第二光电隔离模块20、电压电流测量模块23、第二电源模块24、第二复位模块25、第二键盘模块26、RS232通信模块27和第二显示模块28相连，可控电压源模块21分别与第二光电隔离模块20、电压电流测量模块23、24V电源模块29和磁粉制动器接口22相连，RS232通信模块27和PC机5相连，磁粉制动器接口22和可变负载单元3相连。本实施例中，第二微控制器19为处理器C8051F。工作时，可控电压源模块21的输入电压为24V，第二微控制器19产生一路PWM信号控制可控电压源模块21，使之产生相应的电压源，以驱动磁粉控制器产生相应的负载力矩；电压电流测量模块23是可控电压源模块21的反馈回路，电压电流测量模块23与第二微控制器19形成一个闭环控制回路，使磁粉控制器产生的负载力矩更加稳定。
图16是负载控制器4的第二微控制器19的结构示意图，包括微控制器C8051F以及其外围电路。
图17是负载控制器4的RS232通信模块27的结构示意图，负载控制器4通过该模块与PC机5通信。
图18是负载控制器4的可控电压源模块21的结构示意图，图16中微控制器芯片U2的P0.2管脚输出一路PWM信号，该信号经光耦芯片U6隔离后控制MOS管Q1的导通和关闭，从而产生可控电压源，该电压源通过接口J1与磁粉制动器连接，使之产生负载力矩。
图19是负载控制器4的电压电流测量模块23的结构示意图，图中芯片U7A、U7B、U8A、U8B及周边电路组成，分别对可控电源回路中的电压、电流信号进行采集与调理，并把调理后的信号送到微控制器芯片U2内部进行采样，进而形成负反馈回路，精确的产生可变负载力矩。
Claims (4)
1.一种永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，其特征在于，包括嵌入式驱动控制器(1)、可变负载单元(3)、负载控制器(4)和PC机(5)；其中：PC机(5)和嵌入式驱动控制器(1)相连，负载控制器(4)和PC机(5)相连，可变负载单元(3)和负载控制器(4)相连。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，其特征在于：所述可变负载单元(3)是磁粉制动器。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，其特征在于：所述嵌入式驱动控制器(1)包括第一微控制器(6)、第一光电隔离模块(7)、三相全桥驱动模块(8)、功率驱动模块(9)、编码器模块(10)、电流测量模块(11)、第一电源模块(12)、第一复位模块(13)、存储模块(14)、USB通信模块(15)、第一键盘模块(16)、第一显示模块(17)和电机工作电源模块(18)；其中：第一微控制器(6)分别与第一光电隔离模块(7)、第一电源模块(12)、第一复位模块(13)、存储模块(14)、USB通信模块(15)、第一键盘模块(16)、第一显示模块(17)、编码器模块(10)和电流测量模块(11)相连，三相全桥驱动模块(8)和第一光电隔离模块(7)相连，功率驱动模块(9)分别与三相全桥驱动模块(8)和电机工作电源模块(18)相连，USB通信模块(15)和PC机(5)相连。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机伺服系统控制性能的测试装置，其特征在于：所述负载控制器(4)包括第二微控制器(19)、第二光电隔离模块(20)、可控电压源模块(21)、磁粉制动器接口(22)、电压电流测量模块(23)、第二电源模块(24)、第二复位模块(25)、第二键盘模块(26)、RS232通信模块(27)、第二显示模块(28)和24V电源模块(29)；其中：第二微控制器(19)分别与第二光电隔离模块(20)、电压电流测量模块(23)、第二电源模块(24)、第二复位模块(25)、第二键盘模块(26)、RS232通信模块(27)和第二显示模块(28)相连，可控电压源模块(21)分别与第二光电隔离模块(20)、电压电流测量模块(23)、24V电源模块(29)和磁粉制动器接口(22)相连，RS232通信模块(27)和PC机(5)相连，磁粉制动器接口(22)和可变负载单元(3)相连。
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