專利名稱：采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機床的伺服驅(qū)動仿真技術(shù)，具體涉及采用交流伺服電機作為可變 轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置及方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的核心，正在向高速度、高精度、智能化、復(fù)合化、環(huán)?；?方向發(fā)展，伺服驅(qū)動裝置作為執(zhí)行機構(gòu)，也對其提出了更高的要求，它的性能直接影響到其 所帶動的各式機械設(shè)備的相關(guān)性能。對于伺服系統(tǒng)來說，由于工作條件和環(huán)境不同，它們的 執(zhí)行元件所承受的負(fù)載也不一樣?？勺冝D(zhuǎn)矩負(fù)載模擬裝置是仿真實驗的重要設(shè)備，主要功 能是在實驗室條件下模擬實際工作的環(huán)境，對被測系統(tǒng)施加與實際工況相對應(yīng)的負(fù)載，從 而真實地反映出伺服系統(tǒng)的實際性能。
目前，負(fù)載模擬裝置一般采用的加載方式大致是電液伺服裝置加載、電磁加載和 電機加載等。電液伺服加載主要優(yōu)點是可實現(xiàn)連續(xù)加載，且頻帶較寬，輸出負(fù)載力矩大，但 存在液壓源體積大、功耗和噪聲大，容易產(chǎn)生多余力矩等缺點。電磁加載設(shè)備主要有測功機 和磁粉制動器等，主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)速范圍寬，控制方便，制動力矩大，可實現(xiàn)自動化操作等，缺 點是存在低速時加不上載荷的現(xiàn)象，不可連續(xù)加載，容易出現(xiàn)磁路飽和磁滯效應(yīng)，使得力矩 與電流并不是嚴(yán)格的線形關(guān)系。電機加載設(shè)備目前主要采用直流電機或力矩電機，直流電 機作為加載元件主要存在電樞電流大，功率損失大，以及換向器的問題。采用力矩電機作為 加載元件，能夠提供較寬范圍力矩，響應(yīng)速度較快，但速度范圍有限，不能主動拖動被測元 件，操作復(fù)雜，負(fù)載裝置側(cè)的能量主要以熱能的方式耗掉?？傊?，上述加載方式優(yōu)缺點并存， 沒有較理想的解決方案。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種采用交流伺服電機作為可 變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，本裝置可以模擬任意大小的扭矩負(fù)載，且模擬扭矩范圍寬、精度 高、響應(yīng)快，可調(diào)速度范圍寬和上位機組成閉環(huán)系統(tǒng)，可以實時調(diào)節(jié)，具備自動測試功能，實 現(xiàn)了可連續(xù)加載測試。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝 置的實現(xiàn)方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù) 載的模擬裝置，設(shè)置有底座、3個支撐座、被測電機、被測伺服驅(qū)動單元、負(fù)載電機、負(fù)載側(cè)伺 服驅(qū)動單元、傳感器以及連軸器(1)、連軸器0)，其中，所述底座固定在地基上，3個支撐 座安裝在底座上，并可在底座上前后移動以調(diào)整距離，被測電機、傳感器和負(fù)載電機分別安 裝在一個支撐座上，被測電機的輸出軸通過連軸器(1)和傳感器的其中一個輸入端機械連 接，傳感器的另一輸入端和負(fù)載電機通過連軸器( 機械連接；被測伺服驅(qū)動單元和被測 電機通過電氣連接，以控制被測電機的扭矩、轉(zhuǎn)速和位置角度，同理，負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元和負(fù)載電機通過電氣連接，以控制負(fù)載電機的扭矩、轉(zhuǎn)速；傳感器的輸出端與上位機電氣連 接，用以檢測連軸器(1)、連軸器( 上的轉(zhuǎn)速和扭矩信息，然后反饋給上位機；上位機用以 發(fā)送指令控制被測伺服驅(qū)動單元和負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元，并依據(jù)傳感器的反饋信息來動態(tài) 調(diào)節(jié)給被測伺服驅(qū)動單元和負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元的控制指令。
所述上位機設(shè)置有用戶圖形顯示界面。
所述上位機設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡，用以采集記錄傳感器上傳的測量數(shù)據(jù)。
所述數(shù)據(jù)采集卡優(yōu)選嵌入式NI PCI 6602。
上述采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置的實現(xiàn)方法，具體為
上位機輸出轉(zhuǎn)速指令給被測伺服單元，輸出扭矩指令給負(fù)載側(cè)伺服單元，被測伺 服單元根據(jù)轉(zhuǎn)速指令驅(qū)動被測電機并帶動負(fù)載電機運行，負(fù)載側(cè)伺服單元根據(jù)扭矩指令驅(qū) 動負(fù)載電機產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，該扭矩通過連軸器O)、傳感器、連軸器(1)所組成的傳動裝 置施加于被測電機軸上，傳感器作為檢測元件將連軸器(1)、連軸器O)的轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)速和扭 矩信息反饋給上位機，上位機根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)整個伺服裝置的轉(zhuǎn)速和扭矩，以達(dá)到模 擬負(fù)載的目的。
上述方法中，上位機提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面 和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動 機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。
上述方法中，被測伺服單元與被測電機組成的系統(tǒng)工作于速度方式時，處于電動 狀態(tài)，用來控制整個模擬裝置的速度；負(fù)載側(cè)伺服單元與負(fù)載電機組成的系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)方式時，處于發(fā)電狀態(tài)，通過控制負(fù)載電機的電流來改變負(fù)載電機的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被 測電機的負(fù)載靜態(tài)和動態(tài)變化。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點及有益效果
1、結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，解決了現(xiàn)存的負(fù)載模擬裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便的技術(shù)問 題；
2、克服了測功機、磁粉制動器等加載裝置的缺陷，從電機零速到最高轉(zhuǎn)速都可以 連續(xù)加載，且不需要冷卻裝置；
3、兩個電機可以對拖，不需安裝制動裝置，并將負(fù)載側(cè)電機的95%的能量反饋給 電網(wǎng)，既節(jié)能又環(huán)保，克服了現(xiàn)有加載裝置只能將能量以熱能的方式耗掉的缺點；
4、與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明可以模擬任意大小的扭矩負(fù)載，且模擬扭矩范圍寬、精 度高、響應(yīng)快，和上位機組成閉環(huán)系統(tǒng)，可以實時調(diào)節(jié)，具備自動測試功能和連續(xù)靜態(tài)和動 態(tài)加載測試。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的整體工作原理圖3是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1
采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，如圖1所示，設(shè)置有底座1、支 撐座2、支撐座3、支撐座4、被測電機5、被測伺服驅(qū)動單元(圖中未示出)、負(fù)載電機6、負(fù) 載側(cè)伺服驅(qū)動單元(圖中未示出)、傳感器7以及連軸器8、連軸器9，其中，所述底座1固 定在地基上，3個支撐座安裝在底座1上，并可在底座1上前后移動以調(diào)整距離，被測電機 5、傳感器7和負(fù)載電機6分別安裝在一個支撐座上，被測電機5的輸出軸通過連軸器8和 傳感器7的其中一個輸入端機械連接，傳感器7的另一輸入端和負(fù)載電機6通過連軸器9 機械連接；被測伺服驅(qū)動單元和被測電機5通過電氣連接，以控制被測電機5的扭矩、轉(zhuǎn)速 和位置角度，同理，負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元和負(fù)載電機通過電氣連接，以控制負(fù)載電機6的扭 矩、轉(zhuǎn)速和位置角度；傳感器7的輸出端與上位機電氣連接，用以檢測連軸器8、連軸器9上 的轉(zhuǎn)速和扭矩信息，然后反饋給上位機；上位機用以發(fā)送指令控制被測伺服驅(qū)動單元和負(fù) 載側(cè)伺服驅(qū)動單元，并依據(jù)傳感器7的反饋信息來動態(tài)調(diào)節(jié)給被測伺服驅(qū)動單元和負(fù)載側(cè) 伺服驅(qū)動單元的控制指令。
總的來說，如圖2所示，被測電機和負(fù)載電機通過兩個連軸器以及傳感器機械連 接，實現(xiàn)電機對拖，再生能量直接回饋到電網(wǎng)上。被測電機的給定負(fù)載來源于負(fù)載電機，通 過調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元，負(fù)載電機輸出連續(xù)扭矩，可以測量被測電機的過載能力、溫升 實驗、堵轉(zhuǎn)試驗、電機突加減負(fù)載試驗等。
上述采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置的工作原理，如圖3所示
上位機輸出轉(zhuǎn)速指令給被測伺服單元，輸出扭矩指令給負(fù)載側(cè)伺服單元，被測伺 服單元根據(jù)轉(zhuǎn)速指令驅(qū)動被測電機并帶動負(fù)載電機運行，負(fù)載側(cè)伺服單元根據(jù)扭矩指令驅(qū) 動負(fù)載電機產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，該扭矩通過連軸器O)、傳感器、連軸器(1)所組成的傳動裝 置施加于被測電機軸上，傳感器作為檢測元件將連軸器(1)、連軸器O)的轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)速和扭 矩信息反饋給上位機，上位機根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)整個伺服裝置的轉(zhuǎn)速和扭矩，以達(dá)到模 擬負(fù)載的目的。
上位機用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參 數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲 線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時，上位機還通過嵌入式NI PCI 6602數(shù)據(jù)采集 卡完成對非控制參量，如電機轉(zhuǎn)速、扭矩、位置、溫度等的測量工作。
上述方法中，被測伺服單元與被測電機組成的系統(tǒng)工作于速度方式時，處于電動 狀態(tài)，用來控制整個模擬裝置的速度；負(fù)載側(cè)伺服單元與負(fù)載電機組成的系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)方式時，處于發(fā)電狀態(tài)，通過控制負(fù)載電機的電流來改變負(fù)載電機的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被 測電機的負(fù)載變化，動態(tài)響應(yīng)較快，可以快速產(chǎn)生所需的扭矩。當(dāng)施加給被測電機的負(fù)載 和轉(zhuǎn)速方向相反時，被測電機處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電機處于電動狀態(tài)，完成各種負(fù)載模擬試 驗。
實際操作上，本模擬裝置可在兩種工作模式下運行自動工作模式和手動工作模 式，主要測試項目有1)電機過載能力試驗幻電機堵轉(zhuǎn)試驗；3)電機溫升試驗4)模擬實際 切削時的電機突加減負(fù)載試驗幻伺服驅(qū)動器負(fù)載下的溫升實驗6)驅(qū)動器帶負(fù)載能力測試 實驗等。
自動工作模式下，上位機根據(jù)用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置，然后選擇負(fù)載測試 或定參數(shù)測試，負(fù)載測試下用戶需要設(shè)置負(fù)載曲線、負(fù)載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測 試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是位置，并設(shè)置相應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控 制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定 的負(fù)載自動加載同時完成對待測電機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù) 的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測電機進(jìn)行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖 表中觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到電動機特性曲線，并可將感 興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。
手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進(jìn)行循 環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用戶的進(jìn)一步操 作，如恒扭矩的測試，只需給定一個固定的扭矩指令即可。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，其特征在于設(shè)置有底座、3個 支撐座、被測電機、被測伺服驅(qū)動單元、負(fù)載電機、負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元、傳感器以及連軸器 (1)、連軸器O)，其中，所述底座固定在地基上，3個支撐座安裝在底座上，并可在底座上前 后移動以調(diào)整距離，被測電機、傳感器和負(fù)載電機分別安裝在一個支撐座上，被測電機的輸 出軸通過連軸器(1)和傳感器的其中一個輸入端機械連接，傳感器的另一輸入端和負(fù)載電 機通過連軸器( 機械連接；被測伺服驅(qū)動單元和被測電機通過電氣連接，以控制被測電 機的扭矩、轉(zhuǎn)速和位置角度，同理，負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元和負(fù)載電機通過電氣連接，以控制 負(fù)載電機的扭矩、轉(zhuǎn)速和位置角度；傳感器的輸出端與上位機電氣連接，用以檢測連軸器 (1)、連軸器( 上的轉(zhuǎn)速和扭矩信息，然后反饋給上位機；上位機用以發(fā)送指令控制被測 伺服驅(qū)動單元和負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元，并依據(jù)傳感器的反饋信息來動態(tài)調(diào)節(jié)給被測伺服驅(qū) 動單元和負(fù)載側(cè)伺服驅(qū)動單元的控制指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，其特征在 于所述上位機設(shè)置有用戶圖形顯示界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，其特征在 于所述上位機設(shè)置有數(shù)據(jù)采集卡，用以采集記錄傳感器上傳的測量數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置，其特征在 于所述數(shù)據(jù)采集卡為嵌入式NI PCI 6602。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置的實現(xiàn)方 法，其特征在于，具體為上位機輸出轉(zhuǎn)速指令給被測伺服單元，輸出扭矩指令給負(fù)載側(cè)伺服單元，被測伺服單 元根據(jù)轉(zhuǎn)速指令驅(qū)動被測電機并帶動負(fù)載電機運行，負(fù)載側(cè)伺服單元根據(jù)扭矩指令驅(qū)動負(fù) 載電機產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，該扭矩通過連軸器O)、傳感器、連軸器(1)所組成的傳動裝置施 加于被測電機軸上，傳感器作為檢測元件將連軸器(1)、連軸器O)的轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)速和扭矩信 息反饋給上位機，上位機根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)整個伺服裝置的轉(zhuǎn)速和扭矩，以達(dá)到模擬負(fù) 載的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置的實現(xiàn)方 法，其特征在于上述方法中，上位機提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用 戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得 到電動機特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置的實現(xiàn)方 法，其特征在于上述方法中，被測伺服單元與被測電機組成的系統(tǒng)工作于速度方式時，處 于電動狀態(tài)，用來控制整個模擬裝置的速度；負(fù)載側(cè)伺服單元與負(fù)載電機組成的系統(tǒng)工作 于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)方式時，處于發(fā)電狀態(tài)，通過控制負(fù)載電機的電流來改變負(fù)載電機的轉(zhuǎn)矩大小， 模擬被測電機的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用交流伺服電機作為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬裝置及方法，本裝置可以模擬任意大小的扭矩負(fù)載，且模擬扭矩范圍寬、精度高、響應(yīng)快，和上位機組成閉環(huán)系統(tǒng)，可以實時調(diào)節(jié)，具備自動測試功能，實現(xiàn)了可連續(xù)加載測試。
文檔編號G01R31/34GK102033201SQ20101051834
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者曾慶明, 李爽, 李長兵, 楊紅敏, 趙波 申請人:廣州數(shù)控設(shè)備有限公司