一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統及方法與流程

2023-04-23 04:31:46

本發明涉及一種伺服特性測試系統，尤其是一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統及方法。

背景技術：

永磁同步電機以體積小、效率高、電磁轉矩大、控制方便等優點，越來越廣泛的應用於伺服系統中。高性能的伺服系統對永磁同步電機的跟隨性能有嚴格的要求。在電機實際運行過程中，負載轉動慣量的變化會對系統的伺服性能造成不良的影響，降低系統的伺服特性。為實現高性能的伺服控制，需要對轉動慣量進行辨識，以獲得轉動慣量的準確數值並用於伺服控制。

在對永磁同步電機進行慣量辨識時，需要改變伺服系統的轉動慣量以驗證辨識算法的正確性和有效性。常規的方法是將電機軸和磁粉離合器連接，通過控制離合器的脫離和接合，根據聯軸器和磁粉離合器的尺寸和質量，計算出離合前後伺服系統總的轉動慣量。這種方法雖然能夠改變伺服系統的轉動慣量，但僅能實現慣量的突加和突卸，與實際應用中轉動慣量動態時變的情況不太相符。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統及方法，該系統不僅可以實現永磁同步電機伺服系統的慣量突變，而且可以實現永磁同步電機伺服系統的慣量漸變。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統，包括測試電機、加載電機，以及第一和第二減速機，所述測試電機的輸出端連接第一減速機，該第一減速機的輸出端連接有支撐杆，該支撐杆在測試電機和第一減速機的驅動下做水平轉動；所述加載電機的輸出端連接第二減速機，該第二減速機的輸出端連接有絲槓，所述絲槓上設置有滑塊，該滑塊在絲槓的帶動下做平移運動；該測試系統通過檢測滑塊的位置和速度調整轉動慣量。

所述加載電機帶有絕對式光電編碼器，用以檢測滑塊的位置和速度。

所述第二減速機為單輸入雙輸出結構，其輸出軸各接一根絲槓，且對稱放置。

所述測試系統進一步包括有推力球軸承，該推力球軸承安裝在中間板上，且位於支撐杆下方。

所述測試系統進一步包括有導電滑環，該導電滑環的外環固定在頂板上，該導電滑環的內環固定在固定裝置上，且隨著支撐杆同步轉動。

所述支撐杆、絲槓、滑塊、加載電機，以及第二減速機通過固定裝置緊固連接。

所述第一減速機安裝在中間板上，該第一減速機的輸入端與測試電機的輸出端緊固連接。

所述測試電機通過升降臺與底座上的立柱連接，所述升降臺上設置有用於調節位置高度的緊固螺母。

所述升降臺上設置有夾緊裝置，測試電機依靠夾緊裝置和預緊螺栓支撐固定。

一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試方法，包括以下步驟：

(1)根據測試系統慣量可變部分的結構模型，推導出滑塊的轉動慣量Jv，進而計算測試系統總的轉動慣量J；

(2)根據測試系統總的轉動慣量J計算測試系統總的轉動慣量變化率J'；

(3)獲取加載電機的轉動角度，通過控制加載電機的轉速實現對轉動慣量變化率的控制。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：通過控制加載電機的快速啟動和制動，迅速改變滑塊在絲槓上的位置，實現系統轉動慣量的突加和突卸；通過控制加載電機的轉速和轉向控制滑塊在絲槓上的位置，利用滑塊的位置變化來改變系統的轉動慣量，實現系統轉動慣量的漸變；通過加載電機自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊的位置和速度，進而計算出系統總的轉動慣量及其變化率。

本發明測試系統既可以實現永磁同步電機的慣量突變，又可以實現永磁同步電機的慣量漸變，同時還可以按照一定的變化規律改變轉動慣量，具有較高的靈活性和適應性，不需要再配置體積較大的機械慣量盤，結構緊湊，調試方便。

【附圖說明】

圖1是本發明的永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統結構示意圖；

圖2是本發明的測試系統上層慣量可變部分結構簡圖。

圖中：1-底座 2-升降臺 3-夾緊裝置 4-測試電機 5-第一減速機 6-支撐杆 7-絲槓 8-滑塊 9-固定裝置 10-導電滑環 11-頂板 12-加載電機 13-第二減速機 14-推力球軸承 15-中間板16-立柱 17-預緊螺栓 18-緊固螺母。

【具體實施方式】

為更進一步闡述本發明所採用的技術方案，以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細的說明。該實施方式僅適用於說明和解釋本發明，並不構成對發明保護範圍的限定。

如圖1所示，一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統，包括底座1、升降臺2、夾緊裝置3、測試電機4、第一減速機5、支撐杆6、絲槓7、滑塊8、固定裝置9、導電滑環10、頂板11、加載電機12、第二減速機13、推力球軸承14、中間板15、立柱16、預緊螺栓17和緊固螺母18。本發明通過控制測試電機4和第一減速機5來驅動支撐杆6作水平轉動，通過控制加載電機12和第二減速機13來驅動絲槓7旋轉從而使滑塊8作平移運動。利用滑塊8的位置變化來改變系統的轉動慣量，通過加載電機12自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊8的位置和速度，進而計算出系統總的轉動慣量及其變化率。

所述支撐杆6、絲槓7、滑塊8、加載電機12和第二減速機13通過固定裝置9固連在一起，所述測試電機4和加載電機12均為永磁同步電機，其中，加載電機12帶有絕對式光電編碼器。所述第二減速機13為單輸入雙輸出結構，其輸出軸各接一根絲槓，兩個絲槓對稱放置。所述加載電機12和第二減速機13驅動絲槓7旋轉，使兩個滑塊8向外或向內同時作水平移動。

為增加水平轉動的穩定性，在中間板15和支撐杆6之間安裝有推力球軸承14。在加載電機12與頂板11之間安裝有導電滑環10，其外環與頂板11固定，內環與固定裝置9連接並隨支撐杆6同步轉動。所述中間板15的上面承接推力球軸承14，下面固定第一減速機5。

另外，在底座1與測試電機4之間，設計有升降臺2和夾緊裝置3。所述測試電機4通過升降臺2與底座1上的立柱16連接，所述升降臺2上設置有用於調節其位置高度的緊固螺母18。所述測試電機4依靠夾緊裝置3和預緊螺栓17支撐固定。

具體實施方式如下：

測試電機4的輸出連接第一減速機5，第一減速機5的輸出連接支撐杆6，驅動支撐杆6作水平轉動，加載電機12的輸出連接第二減速機13，第二減速機13的輸出連接絲槓7，驅動絲槓7旋轉從而使滑塊8作平行移動，通過控制加載電機12的快速啟動和制動，迅速改變滑塊8在絲槓7上的位置，實現系統轉動慣量的突變。通過控制加載電機12的轉速和轉向控制滑塊8在絲槓7上的位置，利用滑塊8的位置變化來改變系統的轉動慣量，實現系統轉動慣量的漸變。

通過加載電機12自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊的位置和速度，進而計算出系統總的轉動慣量及其變化率，通過控制加載電機12的轉速進而控制滑塊8在絲槓7上的移動，實現轉動慣量按照一定的規律變化。

具體實現步驟包括：

如圖2所示，為本發明的測試系統上層慣量可變部分結構簡圖。支撐杆6、絲槓7、滑塊8、加載電機12和第二減速機13通過固定裝置9固連在一起，通過測試電機4連接第一減速機5驅動支撐杆6作水平轉動，通過加載電機12連接第二減速機13驅動絲槓7旋轉從而使滑塊8作平行移動。在測試電機4和加載電機12的共同作用下，雙側滑塊8作沿中心軸線的旋轉運動和沿絲槓的直線運動。

滑塊的長度和寬度分別為a和b，質量為m，任一時刻滑塊質心到中心軸線的距離為l，由此可得：

滑塊對中心軸線的轉動慣量Jv為：

測試系統總的轉動慣量J為：

J＝Js+2Jv (2)

式中Js為加載電機及其它支撐傳動等部分的慣量之和。

為計算系統總的轉動慣量J的變化率J'，對式(2)兩邊求導，則：

式中Js為常量，又因為

將式(4)代入式(3)，化簡後可得：

J'＝4mlv (5)

式中v為滑塊在絲槓上平行移動的速度。

根據第二減速機和絲槓的工作原理，有：

式中n為加載電機的轉速；s為絲槓的導程；i為第二減速機輸入端與輸出端之間的傳動比。

將式(6)代入式(5)可得：

滑塊質心到中心軸線的距離l，可通過加載電機自帶的絕對式光電編碼器實時測量加載電機轉動角度θ，並通過加載電機、第二減速機和絲槓的傳動關係計算獲取。計算公式如下：

將式(8)代入式(7)可得：

由此可見，當測試系統設計完成之後，滑塊的質量m、絲槓的導程s以及第二減速機的傳動比i即為確定，轉動慣量的變化率J'為加載電機轉角θ和轉速n的函數。加載電機的轉動角度θ可以通過自帶的絕對式光電編碼器實時測量獲得，因此，通過控制加載電機的轉速n即可實現對轉動慣量變化率J'的控制。

綜上所述，本發明提供的一種永磁同步電機可變慣量伺服特性測試系統，既可以實現永磁同步電機的慣量突變，又可以實現永磁同步電機的慣量漸變，同時還可以按照一定的變化規律改變轉動慣量，具有較高的靈活性和適應性，與實際工況中轉動慣量動態時變的情況比較相符，為驗證各種慣量辨識算法提供了有效手段。

上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施實例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。