CN204462838U - 交流伺服电机硬件在环试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交流伺服电机硬件在环试验装置，包括工作电机驱动控制器（1）、可调负载单元（3）、负载控制器（4）、实时控制单元（5）和扭矩传感器单元（30）；实时控制单元（5）与工作电机驱动控制器（1）相连，扭矩传感器单元（30）、可调负载单元（3）、负载控制器（4）和实时控制单元（5）依次顺序相连，试验用交流伺服电机（2）连接在工作电机驱动控制器（1）、扭矩传感器单元（30）之间；扭矩传感器单元（30）与实时控制单元（5）相连接，本实用新型方便被测交流伺服电机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将伺服电机处理结构实时反馈到伺服系统，实现实际在环试验，搭建模型快速方便。

Description

交流伺服电机硬件在环试验装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种电机控制领域的试验装置，尤其涉及的是一种交流伺服电机硬件在环试验装置。

背景技术

目前交流伺服电机的伺服系统的构建主要有两种形式：(1)在专用的仿真软件环境下构建交流伺服电机的控制模型，在该模型中进行控制算法的实现、参数寻优等理论模拟仿真；(2)利用专门的电机控制芯片设计成的控制器来实现交流伺服电机的控制系统。第一种方法属于算法上的理论验证，实验条件是在理想情况下的模拟仿真，该方法有方便快速的建立仿真模型等优点，但同时该方法也存在着无法将处理结果实时的应用到伺服系统中；第二种方法是基于专门的DSP芯片的伺服系统，该方法具有较高的精度，但是算法及算法参数的修改和负载的改变需要花费巨大的时间和精力，并不适用于试验。

实用新型内容

为了解决实际应用存在的问题，本实用新型提供了一种交流伺服电机硬件在环试验装置，通过实时控制单元和硬件驱动电路相结合的半实物仿真模式的硬件在环，来实现交流伺服电机控制。

本实用新型技术方案如下：

一种交流伺服电机硬件在环试验装置，包括工作电机驱动控制器、可调负载单元、负载控制器、实时控制单元和扭矩传感器单元；

实时控制单元与工作电机驱动控制器相连，扭矩传感器单元、可调负载单元、负载控制器和实时控制单元依次顺序相连，试验用交流伺服电机连接在工作电机驱动控制器、扭矩传感器单元之间；扭矩传感器单元与实时控制单元相连接。

可调负载单元为负载电机。

负载控制器通过实时控制单元控制。

工作电机驱动控制器包括高压供电模块、光电隔离模块、功率芯片供电模块、功率驱动模块、编码器模块、电流传感器、电压传感器、工作电机电源模块、保护电路模块；

高压供电模块与工作电机电源模块相连，光电隔离模块、功率芯片供电模块、工作电机电源模块、保护电路模块均与功率驱动模块相连，功率驱动模块连接试验用交流伺服电机；

实时控制单元通过光电隔离模块连接功率驱动模块，编码器模块、电流传感器、电压传感器均分别连接试验用交流伺服电机和实时控制单元。

实时控制单元产生六路PWM信号通过六路接口输送到工作电机驱动控制器，工作电机驱动控制器和试验用交流伺服电机通过三相电源线、信号线相连，工作电机驱动控制器控制交流伺服电机的运行，并获得试验用交流伺服电机的位置和速度信息；

工作电机驱动控制器采集到的交流伺服电机的实时数据传送给实时控制单元；

实时控制单元上设置的负载力矩参数传送给负载控制器，负载控制器控制可调负载单元产生变化的负载力矩，同时实时控制单元对扭矩传感器单元的输出信号实时采集。

可调负载单元、扭矩传感器单元和交流伺服电机同轴相连连，可调负载单元给工作电机加载不同的负载，同时，扭矩传感器单元能够采集可调负载单元和交流伺服电机的相对扭矩。

高压供电模块用于为工作电机电源模块提供电源，包括接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；

接线端子部分每个引线上均设置一个电容，用于滤波；整流桥选用的型号为6RI100G-160,该型号性能稳定，使得交流电转化成直流电；第三部分的继电器采用的是NVF4-3A-Z80b，防止初始上电时电流过大而烧坏电路元器件。

光电隔离模块的控制电路由PWM控制信号控制，光耦在PWM中的控制信号作用下导通和关断IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)的输入信号；每路光耦都是相同的结构，控制六路信号。这里的光耦相当于一个开关，起到隔离电路的作用，避免了相互的干扰。

功率芯片供电模块包括四路相同的供电电路，供电电路彼此之间相互独立，相互不干扰，保证稳定性；

每条供电电路包括24V电源和F2415S-2W集成器件，24V

电源、F2415S-2W集成器件相连接。

工作电机电源模块输出电机工作电源给功率驱动模块，高压供电模块的电压转换后输出电压至工作电机电源模块转换为电机工作电源，同时电机工作电源经过电源转换芯片获得功率芯片供电模块输出的24V电源，以及为电流传感器、电压传感器提供供电的的±12V直流电源。

所述±12V直流电源连接电流传感器、电压传感器，为电流传感器、电压传感器提供电源。±12V为电流传感器提供电源，在电源和地之间接上电容防止电磁干扰，通过采样电阻获得采样电流。

保护电路模块包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路，母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路均与保护控制电路相连接。

需要指出的是，本实用新型的实时控制单元以及其他驱动模块的控制过程为本领域的常用控制过程，为现有技术，本实用新型仅保护组件结构以及组件之间的连接关系。

本实用新型的有益效果包括：

1、本实用新型方便被测交流伺服电机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将伺服电机处理结构实时反馈到伺服系统，实现实际在环试验；

2、所有控制信号直接由实时控制单元实时发出，所有要采集的数据由实时控制单元实时采集；所以本系统是一种硬件在环实时系统，具有搭建控制模型快速、高效、方便的优点，

3、在实时控制单元的控制下，负载控制器可以控制可调负载单元产生高精度、任意形式的可调负载。

4、该系统运行时，电机以及负载单元的所有运行参数、中间计算数据均可由实时控制单元实时采集，且以图形的形式显示。

附图说明

图1是本实用新型的交流伺服电机硬件在环试验装置结构框图；

图2是工作电机驱动控制器的结构框图；

图3是工作电机驱动控制器的高压供电模块的结构示意图；

图4是工作电机驱动控制器的光电隔离模块的结构示意图；

图5是工作电机驱动控制器的功率芯片供电模块的结构示意图；

图6是工作电机驱动控制器的编码器模块的结构示意图；

图7是工作电机驱动控制器的电流传感器的结构示意图；

图8是工作电机驱动控制器的电压传感器的结构示意图；

图9是工作电机驱动控制器的工作电机电源模块的结构示意图；

图10是工作电机驱动控制器的保护电路模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

为便于理解本实用新型，下面将结合附图进行阐述。

如图1所示，一种交流伺服电机硬件在环试验装置，包括工作电机驱动控制器1、可调负载单元3、负载控制器4、实时控制单元5和扭矩传感器单元30；

实时控制单元5与工作电机驱动控制器1相连，扭矩传感器单元30、可调负载单元3、负载控制器4和实时控制单元5依次顺序相连，试验用交流伺服电机2连接在工作电机驱动控制器1、扭矩传感器单元30之间，扭矩传感器单元30与实时控制单元5相连接。

可调负载单元3为负载电机。

负载控制器4通过实时控制单元5控制。

工作电机驱动控制器1、可调负载单元3连接试验用交流伺服电机2，试验用交流伺服电机2一般为永磁同步电机或者异步电机或者步进电机。

实时控制单元5产生六路PWM信号通过六路接口输送到工作电机驱动控制器，工作电机驱动控制器1和试验用交流伺服电机2通过三相电源线、信号线相连，控制电机的运行，并获得试验用交流伺服电机2的位置和速度信息；实时控制单元5和工作电机驱动控制器1通过实时控制软件的硬件相连，将实时控制单元5上设置的各控制参数传输给工作电机驱动控制器1，同时将工作电机驱动控制器1采集到的试验用交流伺服电机2的实时数据传送给实时控制单元5；负载控制器4和实时控制单元5通过实时软件硬件接口相连，将实时控制单元5上设置的负载力矩参数传送给负载控制器4；通过负载控制器产生变化的负载力矩，同时对可调负载单元3产生的实际力矩进行采样，并将其发送给实时控制单元5；可调负载单元3和永磁同步电机/异步电机/步进电机2同轴相连，给工作电机加载不同的负载。

本实施例中，实时控制单元5上安装了Quanser公司出品的QuaRC实时软件和Matlab软件，Matlab与QuaRC软件包括电机控制算法的实现与参数设置部分、负载力矩设置部分和动态性能参数显示部分；电机控制算法的实现与参数设置部分用于调制控制信号PWM波形，并通过实时控制软件输送到工作电机驱动控制器1；负载力矩设置部分用于控制可调负载单元3，产生可调的负载；动态性能参数显示部分用于显示工作电机驱动控制器1传送过来的电机运行动态数据，用于观察整个系统的运行状况。

如图2所示，工作电机驱动控制器1包括高压供电模块6、光电隔离模块7、功率芯片供电模块8、功率驱动模块9、编码器模块10、电流传感器11、电压传感器12、工作电机电源模块13、保护电路模块14；

高压供电模块6与工作电机电源模块13相连，光电隔离模块7、功率芯片供电模块8、工作电机电源模块13、保护电路模块14均与功率驱动模块9相连，功率驱动模块9连接试验用交流伺服电机2；

实时控制单元5通过光电隔离模块7连接功率驱动模块9，编码器模块10、电流传感器11、电压传感器12均分别连接试验用交流伺服电机2和实时控制单元5。

实时控制单元5产生六路PWM信号通过六路接口输送到工作电机驱动控制器1，工作电机驱动控制器1和试验用交流伺服电机2通过三相电源线、信号线相连，工作电机驱动控制器1控制交流伺服电机2的运行，并获得试验用交流伺服电机2的位置和速度信息；

工作电机驱动控制器1采集到的交流伺服电机2的实时数据传送给实时控制单元5；

实时控制单元5上设置的负载力矩参数传送给负载控制器4，负载控制器4控制可调负载单元3产生变化的负载力矩，同时实时控制单元5对扭矩传感器单元30的输出信号实时采集。

可调负载单元3、扭矩传感器单元30和交流伺服电机2同轴相连连，可调负载单元3给工作电机加载不同的负载，同时，扭矩传感器单元30能够采集可调负载单元3和交流伺服电机2的相对扭矩。如图3所示，高压供电模块用于6用于为工作电机电源模块13提供电源，包括接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；

接线端子部分每个引线上均设置一个电容，用于滤波；整流桥选用的型号为6RI100G-160,该型号性能稳定，使得交流电转化成直流电；继电器保护部分的继电器采用的是NVF4-3A-Z80b，防止初始上电时电流过大而烧坏电路元器件，保护后续电路。

如图4所示，光电隔离模块7包括六路控制电路，受实时控制单元5输出的PWM信号的控制，光耦在PWM控制信号作用下导通和关断IPM(IntelligentPower Module，智能功率模块)的输入信号。每路光耦都是相同的结构，控制六路信号。这里的光耦相当于一个开关，起到隔离电路的作用，避免了相互的干扰。

如图5所示，功率芯片供电模块8包括4路相同的供电电路，供电电路彼此之间相互独立，相互不干扰，保证稳定性；

每条供电电路包括24V电源和F2415S-2W集成器件，24V电源、F2415S-2W集成器件相连接；具体地，24V的电源电压接F2415S-2W的输入引脚1和引脚2，F2415S-2W的输出引脚7和引脚5接光耦的供电端子，在F2415S-2W的输出引脚7和引脚5之间接一个1K电阻，防止电流过大而烧坏F2415S-2W集成器件。

图6为工作电机驱动控制器的编码器模块10的结构示意图，编码器将输入信号转化为电信号后方便后续处理。

如图7所示，电流传感器11连接±12V直流电源和实时控制单元的QPIDe数据采集卡；

±12V为电流传感器提供电源，在电源和地之间接上电容防止电磁干扰，通过采样电阻获得采样电流，通过QPIDe数据采集卡中的模拟输入通道，将数据传回实时控制单元5的QuaRC中，用于控制算法。

图8为工作电机驱动控制器的电压传感器12的结构示意图，其工作原理和电流传感器11相同。

如图9所示，工作电机电源模块13输出电机工作电源给功率驱动模块9，高压供电模块的电压转换后输出电压至工作电机电源模块13转换为电机工作电源，同时电机工作电源同时经过电源转换芯片获得功率芯片供电模块8所要的24V电源，以及电流传感器11、电压传感器12需要的±12V直流电源。

±12V直流电源连接电流传感器11、电压传感器12，为电流传感器11、电压传感器12提供电源。

如图10所示，保护电路模块14包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路，母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路均与保护控制电路相连接。

过压和欠压保护电路包括LM2903和HCPL2631两个芯片构成，LM2903是比较器，输入电压与10V相比，看是否达到过压或欠压报警值，HCPL2631为光耦，起隔离作用。IPM输出异常和母线电压过压保护电路通过两个光耦进行了隔离，当出现异常信号光耦TLP181关断，停止IPM的输出；当出现母线电压过压信号时，通过光耦HCPL0454对IPM输入相应的控制信号，从而处理过压情况。软启动继电器电路输入信号利用光耦AQW212来控制软启动电阻的旁路继电器APA3312来实现24V电源电路的开通与关断，实现功率板的保护功能。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于，包括工作电机驱动控制器(1)、可调负载单元(3)、负载控制器(4)、实时控制单元(5)和扭矩传感器单元(30)；

实时控制单元(5)与工作电机驱动控制器(1)相连，扭矩传感器单元(30)、可调负载单元(3)、负载控制器(4)和实时控制单元(5)依次顺序相连，试验用交流伺服电机(2)连接在工作电机驱动控制器(1)、扭矩传感器单元(30)之间；扭矩传感器单元(30)与实时控制单元(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：所述的工作电机驱动控制器(1)包括高压供电模块(6)、光电隔离模块(7)、功率芯片供电模块(8)、功率驱动模块(9)、编码器模块(10)、电流传感器(11)、电压传感器(12)、工作电机电源模块(13)、保护电路模块(14)；

高压供电模块(6)与工作电机电源模块(13)相连，光电隔离模块(7)、功率芯片供电模块(8)、工作电机电源模块(13)、保护电路模块(14)均与功率驱动模块(9)相连，功率驱动模块(9)连接试验用交流伺服电机(2)；

实时控制单元(5)通过光电隔离模块(7)连接功率驱动模块(9)，编码器模块(10)、电流传感器(11)、电压传感器(12)均分别连接试验用交流伺服电机(2)和实时控制单元(5)。

3.根据权利要求1所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

工作电机驱动控制器(1)和试验用交流伺服电机(2)通过三相电源线、信号线相连。

4.根据权利要求2所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

可调负载单元(3)、扭矩传感器单元(30)，和交流伺服电机(2)同轴相连。

5.根据权利要求2所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

所述高压供电模块(6)用于为工作电机电源模块(13)提供电源，包括 接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，所述接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；

接线端子部分每个引线上均设置一个电容。

6.根据权利要求2所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

光电隔离模块(7)包括六路控制电路。

7.根据权利要求2所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

功率芯片供电模块(8)包括四路相同的供电电路，供电电路彼此之间相互独立；

所述每路供电电路包括24V电源和F2415S-2W集成器件，所述24V电源、F2415S-2W集成器件相连接。

8.根据权利要求2所述的交流伺服电机硬件在环试验装置，其特征在于：

保护电路模块(14)包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路；所述母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路、软启动继电器电路均与保护控制电路相连接。