本發(fā)明涉及一種伺服特性測試系統(tǒng)，尤其是一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)以體積小、效率高、電磁轉(zhuǎn)矩大、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛的應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。高性能的伺服系統(tǒng)對永磁同步電機(jī)的跟隨性能有嚴(yán)格的要求。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化會(huì)對系統(tǒng)的伺服性能造成不良的影響，降低系統(tǒng)的伺服特性。為實(shí)現(xiàn)高性能的伺服控制，需要對轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)，以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確數(shù)值并用于伺服控制。

在對永磁同步電機(jī)進(jìn)行慣量辨識(shí)時(shí)，需要改變伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以驗(yàn)證辨識(shí)算法的正確性和有效性。常規(guī)的方法是將電機(jī)軸和磁粉離合器連接，通過控制離合器的脫離和接合，根據(jù)聯(lián)軸器和磁粉離合器的尺寸和質(zhì)量，計(jì)算出離合前后伺服系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這種方法雖然能夠改變伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但僅能實(shí)現(xiàn)慣量的突加和突卸，與實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量動(dòng)態(tài)時(shí)變的情況不太相符。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的慣量突變，而且可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的慣量漸變。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)，包括測試電機(jī)、加載電機(jī)，以及第一和第二減速機(jī)，所述測試電機(jī)的輸出端連接第一減速機(jī)，該第一減速機(jī)的輸出端連接有支撐桿，該支撐桿在測試電機(jī)和第一減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做水平轉(zhuǎn)動(dòng)；所述加載電機(jī)的輸出端連接第二減速機(jī)，該第二減速機(jī)的輸出端連接有絲杠，所述絲杠上設(shè)置有滑塊，該滑塊在絲杠的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)；該測試系統(tǒng)通過檢測滑塊的位置和速度調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

所述加載電機(jī)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(jī)為單輸入雙輸出結(jié)構(gòu)，其輸出軸各接一根絲杠，且對稱放置。

所述測試系統(tǒng)進(jìn)一步包括有推力球軸承，該推力球軸承安裝在中間板上，且位于支撐桿下方。

所述測試系統(tǒng)進(jìn)一步包括有導(dǎo)電滑環(huán)，該導(dǎo)電滑環(huán)的外環(huán)固定在頂板上，該導(dǎo)電滑環(huán)的內(nèi)環(huán)固定在固定裝置上，且隨著支撐桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述支撐桿、絲杠、滑塊、加載電機(jī)，以及第二減速機(jī)通過固定裝置緊固連接。

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

所述測試電機(jī)通過升降臺(tái)與底座上的立柱連接，所述升降臺(tái)上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)位置高度的緊固螺母。

所述升降臺(tái)上設(shè)置有夾緊裝置，測試電機(jī)依靠夾緊裝置和預(yù)緊螺栓支撐固定。

一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)測試系統(tǒng)慣量可變部分的結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)出滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jv，進(jìn)而計(jì)算測試系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J；

(2)根據(jù)測試系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J計(jì)算測試系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化率J'；

(3)獲取加載電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化率的控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：通過控制加載電機(jī)的快速啟動(dòng)和制動(dòng)，迅速改變滑塊在絲杠上的位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突加和突卸；通過控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制滑塊在絲杠上的位置，利用滑塊的位置變化來改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的漸變；通過加載電機(jī)自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊的位置和速度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其變化率。

本發(fā)明測試系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的慣量突變，又可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的慣量漸變，同時(shí)還可以按照一定的變化規(guī)律改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有較高的靈活性和適應(yīng)性，不需要再配置體積較大的機(jī)械慣量盤，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試方便。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明的永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的測試系統(tǒng)上層慣量可變部分結(jié)構(gòu)簡圖。

圖中：1-底座 2-升降臺(tái) 3-夾緊裝置 4-測試電機(jī) 5-第一減速機(jī) 6-支撐桿 7-絲杠 8-滑塊 9-固定裝置 10-導(dǎo)電滑環(huán) 11-頂板 12-加載電機(jī) 13-第二減速機(jī) 14-推力球軸承 15-中間板16-立柱 17-預(yù)緊螺栓 18-緊固螺母。

【具體實(shí)施方式】

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。該實(shí)施方式僅適用于說明和解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

如圖1所示，一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)，包括底座1、升降臺(tái)2、夾緊裝置3、測試電機(jī)4、第一減速機(jī)5、支撐桿6、絲杠7、滑塊8、固定裝置9、導(dǎo)電滑環(huán)10、頂板11、加載電機(jī)12、第二減速機(jī)13、推力球軸承14、中間板15、立柱16、預(yù)緊螺栓17和緊固螺母18。本發(fā)明通過控制測試電機(jī)4和第一減速機(jī)5來驅(qū)動(dòng)支撐桿6作水平轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制加載電機(jī)12和第二減速機(jī)13來驅(qū)動(dòng)絲杠7旋轉(zhuǎn)從而使滑塊8作平移運(yùn)動(dòng)。利用滑塊8的位置變化來改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過加載電機(jī)12自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊8的位置和速度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其變化率。

所述支撐桿6、絲杠7、滑塊8、加載電機(jī)12和第二減速機(jī)13通過固定裝置9固連在一起，所述測試電機(jī)4和加載電機(jī)12均為永磁同步電機(jī)，其中，加載電機(jī)12帶有絕對式光電編碼器。所述第二減速機(jī)13為單輸入雙輸出結(jié)構(gòu)，其輸出軸各接一根絲杠，兩個(gè)絲杠對稱放置。所述加載電機(jī)12和第二減速機(jī)13驅(qū)動(dòng)絲杠7旋轉(zhuǎn)，使兩個(gè)滑塊8向外或向內(nèi)同時(shí)作水平移動(dòng)。

為增加水平轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，在中間板15和支撐桿6之間安裝有推力球軸承14。在加載電機(jī)12與頂板11之間安裝有導(dǎo)電滑環(huán)10，其外環(huán)與頂板11固定，內(nèi)環(huán)與固定裝置9連接并隨支撐桿6同步轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)5。

另外，在底座1與測試電機(jī)4之間，設(shè)計(jì)有升降臺(tái)2和夾緊裝置3。所述測試電機(jī)4通過升降臺(tái)2與底座1上的立柱16連接，所述升降臺(tái)2上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)其位置高度的緊固螺母18。所述測試電機(jī)4依靠夾緊裝置3和預(yù)緊螺栓17支撐固定。

具體實(shí)施方式如下：

測試電機(jī)4的輸出連接第一減速機(jī)5，第一減速機(jī)5的輸出連接支撐桿6，驅(qū)動(dòng)支撐桿6作水平轉(zhuǎn)動(dòng)，加載電機(jī)12的輸出連接第二減速機(jī)13，第二減速機(jī)13的輸出連接絲杠7，驅(qū)動(dòng)絲杠7旋轉(zhuǎn)從而使滑塊8作平行移動(dòng)，通過控制加載電機(jī)12的快速啟動(dòng)和制動(dòng)，迅速改變滑塊8在絲杠7上的位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突變。通過控制加載電機(jī)12的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制滑塊8在絲杠7上的位置，利用滑塊8的位置變化來改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的漸變。

通過加載電機(jī)12自帶的絕對式光電編碼器檢測滑塊的位置和速度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其變化率，通過控制加載電機(jī)12的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制滑塊8在絲杠7上的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按照一定的規(guī)律變化。

具體實(shí)現(xiàn)步驟包括：

如圖2所示，為本發(fā)明的測試系統(tǒng)上層慣量可變部分結(jié)構(gòu)簡圖。支撐桿6、絲杠7、滑塊8、加載電機(jī)12和第二減速機(jī)13通過固定裝置9固連在一起，通過測試電機(jī)4連接第一減速機(jī)5驅(qū)動(dòng)支撐桿6作水平轉(zhuǎn)動(dòng)，通過加載電機(jī)12連接第二減速機(jī)13驅(qū)動(dòng)絲杠7旋轉(zhuǎn)從而使滑塊8作平行移動(dòng)。在測試電機(jī)4和加載電機(jī)12的共同作用下，雙側(cè)滑塊8作沿中心軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿絲杠的直線運(yùn)動(dòng)。

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

滑塊對中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J_v為：

測試系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為：

J＝J_s+2J_v (2)

式中J_s為加載電機(jī)及其它支撐傳動(dòng)等部分的慣量之和。

為計(jì)算系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的變化率J'，對式(2)兩邊求導(dǎo)，則：

式中J_s為常量，又因?yàn)?/p>

將式(4)代入式(3)，化簡后可得：

J'＝4mlv (5)

式中v為滑塊在絲杠上平行移動(dòng)的速度。

根據(jù)第二減速機(jī)和絲杠的工作原理，有：

式中n為加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速；s為絲杠的導(dǎo)程；i為第二減速機(jī)輸入端與輸出端之間的傳動(dòng)比。

將式(6)代入式(5)可得：

滑塊質(zhì)心到中心軸線的距離l，可通過加載電機(jī)自帶的絕對式光電編碼器實(shí)時(shí)測量加載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，并通過加載電機(jī)、第二減速機(jī)和絲杠的傳動(dòng)關(guān)系計(jì)算獲取。計(jì)算公式如下：

將式(8)代入式(7)可得：

由此可見，當(dāng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，滑塊的質(zhì)量m、絲杠的導(dǎo)程s以及第二減速機(jī)的傳動(dòng)比i即為確定，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化率J'為加載電機(jī)轉(zhuǎn)角θ和轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。加載電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ可以通過自帶的絕對式光電編碼器實(shí)時(shí)測量獲得，因此，通過控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速n即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化率J'的控制。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種永磁同步電機(jī)可變慣量伺服特性測試系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的慣量突變，又可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的慣量漸變，同時(shí)還可以按照一定的變化規(guī)律改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有較高的靈活性和適應(yīng)性，與實(shí)際工況中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量動(dòng)態(tài)時(shí)變的情況比較相符，為驗(yàn)證各種慣量辨識(shí)算法提供了有效手段。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施實(shí)例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。