專利名稱:一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，裝置包括底座、升降臺(tái)、電機(jī)固定裝置、永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、磁粉離合器、絕對(duì)式光電編碼器、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、拖臺(tái)、預(yù)緊螺栓和緊固螺母。通過控制磁粉離合器的激磁電流來控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的脫離和接合，利用絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置角度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本實(shí)用新型不僅可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量突變，而且可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量漸變。
【專利說明】一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 永磁同步電機(jī)具有體積小、效率高、電磁轉(zhuǎn)矩大、控制方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng) 用于高性能、高精度的控制場(chǎng)合，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域。高性能的伺服 系統(tǒng)對(duì)永磁同步電機(jī)的速度動(dòng)態(tài)性能有很高的要求。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)改變控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而影響伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，降低整個(gè)系統(tǒng)的伺 服特性。為提高伺服系統(tǒng)的控制性能，需要對(duì)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。
[0003]在對(duì)永磁交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行慣量辨識(shí)時(shí)，需要改變系統(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。 【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提供一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝 置，該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量突變，而且可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量漸變。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，包括底座、永磁同步電機(jī)和磁粉離合器;所述的 底座頂部設(shè)置有試驗(yàn)臺(tái)；所述的永磁同步電機(jī)與底座連接;所述的試驗(yàn)臺(tái)底部設(shè)置有磁粉 離合器，頂部安裝有曲柄滑塊機(jī)構(gòu);所述的磁粉離合器的輸入軸與永磁同步電機(jī)的輸出軸 連接，磁粉離合器的輸出軸與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連接;磁粉離合器的輸出軸上設(shè)置有絕對(duì)式光 電編碼器。
[0007] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的永磁同步電機(jī)通過升降臺(tái)與底座上的立柱 連接，所述的升降臺(tái)上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)位置高度的緊固螺母。
[0008] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的升降臺(tái)上設(shè)置有電機(jī)固定裝置，永磁同步 電機(jī)依靠電機(jī)固定裝置和預(yù)緊螺栓固定。
[0009] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的磁粉離合器與永磁同步電機(jī)之間設(shè)置有轉(zhuǎn) 矩傳感器。
[0010] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)包括曲柄、連桿和滑塊，所述 的曲柄一端與磁粉離合器的輸出軸固定，連桿與曲柄及滑塊鉸接，滑塊下端活動(dòng)設(shè)置在試 驗(yàn)臺(tái)的滑槽內(nèi)。
[0011] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的曲柄和連桿的長(zhǎng)度相等。
[0012] 作為本實(shí)用新型方進(jìn)一步改進(jìn)，所述的永磁同步電機(jī)、磁粉離合器和絕對(duì)式光電 編碼器同軸安裝。
[0013] -種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置的控制方法，包括:慣量突變、電慣量模擬和慣量 漸變?nèi)N工作模式；
[0014] 慣量突變工作模式是將永磁同步電機(jī)和磁粉離合器連接，磁粉離合器的輸出軸不 連接負(fù)載，永磁同步電機(jī)帶動(dòng)磁粉離合器旋轉(zhuǎn)，使磁粉離合器處于同步工作狀態(tài);通過控制 磁粉離合器的激磁電流來控制離合器和永磁同步電機(jī)的脫離和接合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 突變；
[0015] 電慣量模擬工作模式是將磁粉離合器的從動(dòng)轉(zhuǎn)子固定形成制動(dòng)器，使離合器處于 滑差工作狀態(tài)，通過控制激磁電流的大小來控制傳遞轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)械慣量的電慣量模擬，負(fù) 載模擬器的輸出轉(zhuǎn)矩滿足：
[0017]式中IV為負(fù)載模擬器的輸出轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;JL為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為電機(jī) 的角速度；
[0018] 慣量漸變工作模式是永磁同步電機(jī)通過磁粉離合器驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使磁粉離 合器處于同步工作狀態(tài)，利用絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置角度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的周期性漸變。
[0019] 所述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的周期性漸變，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括：
[0020] 以等效前后動(dòng)能相等為依據(jù)，推導(dǎo)出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)學(xué)模型JE (Θ);
[0021] 通過絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量獲取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置角度Θ;
[0022] 利用等效慣量JE(0)變化與位置Θ之間存在的關(guān)系，由位置值Θ實(shí)時(shí)計(jì)算出曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)的等效慣量Je(9);
[0023] 伺服系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JE(0)和電機(jī)及其它部分的慣量之和JM的 疊加。
[0024]等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je(0)滿足：
[0026]式中，Mi、MdPM3分別為曲柄、連桿和滑塊的質(zhì)量，1為曲柄和連桿的長(zhǎng)度，Θ為曲柄 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
[0028] 本實(shí)用新型一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，包括底座、永磁同步電機(jī)和磁粉離 合器;在以將電機(jī)軸和磁粉離合器相連接的常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)離合器的輸出軸還連 接有絕對(duì)式光電編碼器和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過控制磁粉離合器的激磁電流來控制曲柄滑塊 機(jī)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的脫離和接合，利用絕對(duì)式光電編碼器測(cè)量曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置角 度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突變和漸變。本實(shí)用新型 裝置既可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量突變，又可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量漸變，同時(shí)還可以用電 慣量模擬機(jī)械慣量，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。
[0029]本實(shí)用新型控制方法可以在三種模式下工作：當(dāng)系統(tǒng)處于慣量突變工作模式時(shí)， 通過控制磁粉離合器的激磁電流來控制電機(jī)軸和磁粉離合器的脫離和接合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量的突加和突卸；當(dāng)系統(tǒng)處于電慣量模擬工作模式時(shí)，通過控制磁粉離合器的激磁電流 的大小來控制傳遞轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)械慣量的電慣量模擬；當(dāng)系統(tǒng)處于慣量漸變工作模式 時(shí)，通過磁粉離合器驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的周期性漸變。 【【附圖說明】
】
[0030]圖1是本實(shí)用新型的伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖2是本實(shí)用新型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0032]圖中：1-底座；2-升降臺(tái)；3-電機(jī)固定裝置;4-永磁同步電機(jī);5-轉(zhuǎn)矩傳感器;6-磁 粉離合器;7-絕對(duì)式光電編碼器;8-曲柄滑塊機(jī)構(gòu);9-拖臺(tái)；10-預(yù)緊螺栓;11-緊固螺母。 【【具體實(shí)施方式】】
[0033] 為更進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具 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實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)實(shí) 用新型保護(hù)范圍的限定。
[0034] 如圖1所示，本實(shí)用新型的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，包括底座1、升降臺(tái)2、 電機(jī)固定裝置3、永磁同步電機(jī)4、轉(zhuǎn)矩傳感器5、磁粉離合器6、絕對(duì)式光電編碼器7、曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)8、拖臺(tái)9、預(yù)緊螺栓10和緊固螺母11。升降臺(tái)2活動(dòng)設(shè)置在底座1的立柱上，通過緊固 螺母11進(jìn)行位置調(diào)節(jié);電機(jī)固定裝置3通過預(yù)緊螺栓10與升降臺(tái)2連接。永磁同步電機(jī)4依靠 電機(jī)固定裝置3固定，且其輸出軸豎直向上設(shè)置。底座1的四個(gè)立柱上端連接試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái) 底部設(shè)置有拖臺(tái)9,拖臺(tái)9上安裝磁粉離合器6,磁粉離合器6輸入軸與永磁同步電機(jī)4的輸出 軸連接。磁粉離合器6輸出軸上安裝有絕對(duì)式光電編碼器7,并與試驗(yàn)臺(tái)上部的曲柄滑塊機(jī) 構(gòu)8連接。
[0035] 為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，永磁同步電機(jī)4、轉(zhuǎn)矩傳感器5、磁粉離合器6、絕對(duì)式光電 編碼器7同軸設(shè)置。
[0036]通過控制磁粉離合器6的激磁電流來控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8和永磁同步電機(jī)4的脫離 和接合，利用絕對(duì)式光電編碼器7測(cè)量曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8的位置角度，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0037]【具體實(shí)施方式】如下：
[0038] 將永磁同步電機(jī)4和磁粉離合器6連接，而磁粉離合器6的輸出軸不連接負(fù)載，永磁 同步電機(jī)4只拖動(dòng)磁粉離合器6旋轉(zhuǎn)，使磁粉離合器6處于同步工作狀態(tài)，通過控制磁粉離合 器6的激磁電流來控制電機(jī)軸和磁粉離合器6的脫離和接合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突變。
[0039] 將磁粉離合器6的從動(dòng)轉(zhuǎn)子固定形成制動(dòng)器，使離合器處于滑差工作狀態(tài)，通過控 制激磁電流的大小來控制傳遞轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)械慣量的電慣量模擬，具體步驟包括：
[0040] 通常情況下，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增減一般采用機(jī)械方式，即在系統(tǒng)輸出上安裝 有機(jī)械慣量盤，正常工作時(shí)永磁同步電機(jī)4的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：
(1>
[0042]式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;JM為電機(jī)及其它部分的慣量之和;J L為負(fù)載的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;B為粘滯摩擦系數(shù)；ω為電機(jī)的角速度。
[0043]在用電慣量模擬機(jī)械慣量的時(shí)候，伺服系統(tǒng)將去除機(jī)械慣量盤，此時(shí)永磁同步電 機(jī)4的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：
(2)
[0045]式中Τι/為負(fù)載模擬器的輸出轉(zhuǎn)矩。
[0046]為保證真實(shí)的模擬效果，應(yīng)確保式（1)和式(2)中的I和IV、ω和相等，兩式相 減可得：
(3) (4)
[0050] 可以看出，如果要完成機(jī)械慣量的電模擬，那么負(fù)載模擬器的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)包括負(fù) 載轉(zhuǎn)矩和慣量模擬量的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。
[0051] 將磁粉離合器6的從動(dòng)轉(zhuǎn)子固定時(shí)，離合器6便始終工作在滑差狀態(tài)，成為了制動(dòng) 器。以磁粉離合器6作為負(fù)載模擬器，離合器6的傳遞轉(zhuǎn)矩即為負(fù)載模擬器的輸出轉(zhuǎn)矩，通過 控制激磁電流的大小來控制傳遞轉(zhuǎn)矩，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械慣量的電慣量模擬。為了更準(zhǔn)確的控 制磁粉離合器的輸出轉(zhuǎn)矩，在永磁同步電機(jī)4與磁粉離合器6的主動(dòng)轉(zhuǎn)子之間安裝有轉(zhuǎn)矩傳 感器5。
[0052] 將永磁同步電機(jī)4通過磁粉離合器6驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8,使離合器6處于同步工作 狀態(tài)，利用絕對(duì)式光電編碼器7測(cè)量的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8的位置角度信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的周期性漸變，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括：
[0053] 如圖2所示，本實(shí)用新型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，包括曲柄、連桿和滑塊，曲柄 與轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定，連桿與曲柄及滑塊鉸接，滑塊下端活動(dòng)設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)上的滑槽內(nèi)。曲柄、連 桿和滑塊的質(zhì)量分別為Μι、M2和Μ 3，曲柄和連桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)i = L2 = 1，Li的轉(zhuǎn)角為Θ，轉(zhuǎn)動(dòng)角速 度為電機(jī)角速度ω，Li作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，L2作平面運(yùn)動(dòng)，滑塊作直線運(yùn)動(dòng)，P為速度瞬心，由此可 得：
[0054] U的動(dòng)能：
(5):
[0056] L2的動(dòng)能：
C6)
[0058]滑塊的動(dòng)能：
(:7)
[0060]以等效如后動(dòng)能相等為依據(jù)，設(shè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Je(9)，有： (8)
[0062] 將式(5)、式(6)和式(7)代入式(8)，其中U = L2 = 1，化簡(jiǎn)后可得：
[0064] 由此可見，當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)8設(shè)計(jì)完成之后，各構(gòu)件的質(zhì)量和長(zhǎng)度即為確定，等效 慣量Je(9)僅為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度Θ的函數(shù)。因此，可以通過絕對(duì)式光電編碼器7測(cè)量獲取曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)8的位置角度Θ，然后再利用等效慣量J E(0)變化與位置Θ之間存在的關(guān)系，直接由位 置值Θ實(shí)時(shí)計(jì)算出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的等效慣量Je(0)，最后可得電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為：
[0065] J = Jm+Je(9) (10)
[0066] 式中Jm為電機(jī)及其它部分的慣量之和;Je(9)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0067] 綜上所述，本實(shí)用新型提供的伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置可以工作在慣量突變、 電慣量模擬和慣量漸變?nèi)N模式，不僅可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的慣量突變，而且可以實(shí)現(xiàn)伺服 系統(tǒng)的慣量漸變，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。
[0068] 上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何 限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施實(shí)例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效 結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于，包括底座（1)、永磁同步電機(jī)(4)和磁 粉離合器(6);所述的底座（1)頂部設(shè)置有試驗(yàn)臺(tái)；所述的永磁同步電機(jī)(4)與底座（1)連接； 所述的試驗(yàn)臺(tái)底部設(shè)置有磁粉離合器(6)，頂部安裝有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(8);所述的磁粉離合 器(6)的輸入軸與永磁同步電機(jī)(4)的輸出軸連接，磁粉離合器(6)的輸出軸與曲柄滑塊機(jī) 構(gòu)(8)連接;磁粉離合器(6)的輸出軸上設(shè)置有絕對(duì)式光電編碼器(7)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的永磁同 步電機(jī)(4)通過升降臺(tái)（2)與底座（1)上的立柱連接，所述的升降臺(tái)（2)上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)位 置高度的緊固螺母(11)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的升降臺(tái) (2)上設(shè)置有電機(jī)固定裝置(3)，永磁同步電機(jī)(4)依靠電機(jī)固定裝置(3)和預(yù)緊螺栓（10)固 定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的磁粉離 合器(6)與永磁同步電機(jī)(4)之間設(shè)置有轉(zhuǎn)矩傳感器(5)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)(8)包括曲柄、連桿和滑塊，所述的曲柄一端與磁粉離合器(6)的輸出軸固定，連桿與 曲柄及滑塊鉸接，滑塊下端活動(dòng)設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)的滑槽內(nèi)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的曲柄和 連桿的長(zhǎng)度相等。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服控制系統(tǒng)可變慣量裝置，其特征在于:所述的永磁同 步電機(jī)(4)、磁粉離合器(6)和絕對(duì)式光電編碼器(7)同軸安裝。
【文檔編號(hào)】H02K7/10GK205725311SQ201620372385
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】梅雪松, 宋哲, 姜歌東, 許睦旬, 林英行, 齊太安, 孫書川
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué), 廣東順德西安交通大學(xué)研究院