新型直线伺服驱动加载实验教学平台_凌志健.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：江苏省高等教育教改研究课题（）；江苏省高等教育教改重点研究课题（）；江苏大学高等教育教改研究课题（）第一作者：凌志健（），男，博士，讲师，主要从事电机及拖动的教学和研究工作，：新型直线伺服驱动加载实验教学平台凌志健 赵文祥 吉敬华 陶 涛（江苏大学 电气信息工程学院，镇江）摘要：为引导学生掌握直线伺服驱动系统的运行特性，提出了新型直线伺服驱动加载实验教学平台，解决了传统直线伺服实验教学平台中加载难、测试精度低、动态性能差的弊端。基于该实验教学平台，开展了永磁直线伺服电机静态推力、动态推力、加速度以及突变负载的实验研究。该实验教学平台的研制，不仅丰富了电机类、电力拖动类课程的教学实验工作，又激发学生的学习兴趣，提升创新能力。关键词：直线伺服电机；动态性能；驱动控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；第十四个五年规划和二三五远景目标纲要中明确指出，将航空航天、机器人等领域列为加快发展的现代产业体系，提出加强前瞻部署和关键技术的突破。在上述领域中，对于直线伺服驱动技术的要求不断提高，其性能的优劣直接影响到装备的运行品质。传统的“旋转电机 机械丝杠”的传动形式，难以摆脱机械卡死、润滑失效、过载损毁的束缚，无法满足高端装备对于高动态、高定位精度等性能指标的要求。近年来，采用直线伺服电机直接驱动的方式，成为一种新的技术角度。直线伺服电机经过多年发展，技术较为成熟，其具有结构简单、可靠性高、动态响应快的优点，并成功应用于航空航天、数控机床等领域。因此，直线伺服电机作为电机类、电力拖动类课程教学的重要组成部分，受到了越来越多的重视。然而，直线伺服电机在运动形式、加载特性等方面，不同于传统教材中讲述的旋转电机，给学生的理解和掌握造成一定的困难。利用实验教学平台可以直观地展示直线伺服驱动的工作原理、结构体系，巩固学生对于理论知识的理解。因此，研制新型直线伺服驱动加载实验教学平台具有重要意义。旋转电机可以采用磁粉制动器、直流电机对拖等方式实现旋转加载。然而，直线伺服电机为直线运行，存在行程限制、加载不均匀等一系列问题，为搭建实验教学平台增加了难度。目前，传统直线伺服驱动加载实验教学平台多采用坠重物的方式进行加载，如图 所示。然而，该装置存在较为明显的缺点：传动绳的加载精度差，且无法实现往复运行和负载突变测试；加载力不能连续变化，只能通过增减重物来改变负载；被测电机加速运行时，需要克服所坠重物的加速度，负载侧的加速段无法测量，且数值波动大。综上所示，传统测试平台无法满足直线伺服电机的测试需求。因此，研制了一种新型直线伺服驱动加载实验教学平台，实现直线伺服驱动的多种实验教学需求。该平台的构建，将直线电机的课程理论与实践紧密结合，加强学生对于电机系统（包括旋转电机、直线电机）知识的掌握，有助于激发学生对于电机类课程的学习兴趣，提升学生的创新能力。图 现有直线伺服加载测试平台 直线伺服驱动加载实验教学平台 直线伺服驱动加载装置为了准确地获取被测直线伺服电机的性能指标，本文提出了直线伺服驱动加载实验教学平台，如图 所示。被测电机和负载电机的动子上均安装有刚性引出轴，引出轴的端部与力传感器相连，用于获取推力数值。在被测电机的性能测试过程中，可以通过调节负载电机的外接电阻，实现推力幅值的调节。此外，直线伺服驱动加载平台的定子侧安装有直线光栅尺，利用直线伺服电机驱动系统，以光栅测量的位移量为单位，可以准确地测量直线伺服电机的运行位置精度。相较于传统测试平台，提出的直线伺服驱动加载实验教学平台具有加载连续、动态性能好、位置精度高的优势。图 直线伺服驱动加载装置 直线伺服驱动加载平台硬件及其驱动图 所示为直线伺服驱动加载实验教学平台硬 件 及 其 驱 动 系 统 的 示 意 图。系 统 以 为主控芯片进行硬件架构，由 采集电流、电压、位置的输出信号，经过 处理后，发出 控制波。所有数据均可通过 口与上位机进行通信，并由示波器实时显示电机运行过程中的数据波形，便于实验人员、学生可以实时监控直线伺服电机的运行状态。图 基于 的电机驱动系统图 为已搭建的直线伺服驱动加载实验教学平台，主要包括：被测直线伺服电机、负载直线电机、主控电路、功率驱动电路、光栅齿、电流传感器、拉力传感器、信号保护电路等。驱动系统的设计与被测直线伺服电机参数相匹配，并选择高性价比的微处理器、功率开关器件来降低系统设计的成本。图 对拖式永磁直线伺服电机实验教学平台 实验平台功能实现该实验教学平台灵活性和通用性强，可以实现直线伺服电机的多种实验研究，同时具有较高的实验精度。基于该平台，开展了直线伺服电机的静态推力、动态推力、加速特性以及突变负载实验研究。直线伺服电机静态推力测试在直线伺服电机实验教学中，对直线伺服电机初始位置的精确定位非常重要。首先，在 相绕组中给定正向电流，其他相给定负向电流。则直线伺服电机的动子运行至 相磁链最大位置，即完成直线伺服电机初始位置的定位。其次，将负载直线伺服电机的相线短接，即将负载电机锁死。随后，开展被测电机的静态试验，当 相磁链最大时，相的感应电势在零点位置，由感应电势矢量第 期凌志健，等：新型直线伺服驱动加载实验教学平台和为零可知，此时其他相的感应电势相位相反且幅值相等。因此，将 相绕组断开，对其他相通入幅值相同、方向相反的电流即可测得静态推力，如图 所示。图 直线伺服电机静态推力测试 直线伺服电机动态推力测试在被测直线伺服电机带动负载电机的动态运动过程中，被测直线伺服电机的动子受到电磁推力、负载电机负载力，以及摩擦力，动态推力可以通过被测电机与负载电机之间的力传感器获得。其中，负载电机负载力 可由调整外接电阻 的大小得到，公式为：（）（）其中，为负载电机感应电动势，为负载电机感应电流，为推力常数，为气隙磁通。图 所示为被测直线伺服电机的“电流 推力”波形，可以看出被测直线伺服电机的电流波形正弦度较高，三相电流呈现对称分布。由于在不同运行速度下，负载电机的感应电动势 会发生变化。因此，需要及时调整外接电阻 的大小。例如，当被测电机运行在 、速度 的工况下。在该平台中，负载直线电机的感应电动势为 ，基于负载电机的参数，外接电阻的 值约为 。图 直线伺服电机动态推力测试 直线伺服电机加速度测试在传统测试平台中，被测电机加速运行时，由于所坠重物也作加速运动，但是传动绳上的拉力不等于所坠重物的重力，无法进行加速测试，如图 所示。（）其中，为推力、为摩擦力，为重物重力，为所坠重物质量。图 传统实验平台加速测试因此，传统直线伺服驱动实验教学平台，只能测量电机匀速运行特性。本文提出的直线伺服加载平台，避免了垂直方向的加速度。并且，利用直线光栅可以准确测量直线伺服电机的速度和位置。直线伺服电机的加速度可由动子侧的受力计算得到，公式为：（）（）其中，为负载力，为被测电机质量，为负载电机质量。图 所示为被测直线伺服电机的加速度测试。被测直线伺服电机从静止状态，经过较短的暂态过程，运行速度达到给定值（），并在稳态运行中跟随给定值。根据被测直线伺服电机的加速启动过程，提出的直线伺服加载实验教学平台具有较高的动态速度响应特性。图 直线伺服电机加速度测试 直线伺服电机负载连续变化测试传统直线伺服电机测试平台，负载无法连续变化，只能通过增减重物来改变负载，一直制约着直线伺服电机动态测试的准确性。本文提出的直线伺服加载实验教学平台，通过改变负载电机的外接电阻，实现负载的连续变化。为了验证该测试平台的负载变化及响应能力，设计了一种先增加负载，后降低负载的变载实验方案。首先，被测电机额定电气电子教学学报 第 卷带载启动，通过降低外接电阻的阻值，突然增加负载，经过一段时间的稳定运行后，再降低负载，其运行结果，如图 所示。被测直线伺服电机在突加负载后的瞬间，电机速度有较小的降低，经过速度调节器的调节后立即恢复至给定速度值。同样，直线伺服电机负载突减瞬间，电机速度小幅提升，经过速度调节器调节后恢复至给定值。由此可知，提出的直线伺服加载实验教学平台可以精确地捕获直线伺服电机在突变负载工况下的速度、位移变化，拥有良好的变负载动态响应特性。图 直线伺服电机突加、突减负载测试 结语研制了直线伺服加载实验教学平台，实现了永磁直线伺服电机的动态推力、加速度以及负载突变测试的实验研究，突破了永磁直线伺服电机动态性能测试精度不足的弊端。通过该实验教学平台，有助于学生熟悉直线伺服电机的运行机理、结构组成，掌握直线伺服电机的精确测试方法。增强学生对于直线伺服电机知识的掌握，有利于进一步挖掘直线伺服电机的潜在优势，激发学生对于电机类课程的学习兴趣，提升学生的动手和创新能力，有助于高质量地完成实验教学任务。参考文献国家发展和改革委员会 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标纲要，（）：，（）：叶云岳 直线伺服电机原理与应用 北京：机械工业出版社，徐亮，赵文祥，吉敬华，等 往复式永磁直线伺服电机实验教学平台 电气电子教学学报，（）：曹瑞武，张之梁 新型初级永磁直线伺服电机实验教学平台 电气电子教学学报，（）：卢琴芬“直线伺服电机理论与应用”课程教学的探索与实践 电气电子教学学报，（）：徐金全，郭宏，吴静 以学生为主的“控制电机”课程教学方法 电气电子教学学报，（）：，孙盼，杨刚，熊义勇，等 电机实践课程的改革与创新 教育教学论坛，（）：周游，石超杰，曲荣海，等 磁场调制永磁直线伺服电机拓扑研究综述 中国电机工程学报，（）：刘克少 直线伺服电机教学实验系统研制 电气电子教学学报，（）：第 期凌志健，等：新型直线伺服驱动加载实验教学平台