李 晶， 張迎慶， 梅雪松， 徐學(xué)武， 張東升， 蘇 洋

(西安交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

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交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 晶， 張迎慶， 梅雪松， 徐學(xué)武， 張東升， 蘇 洋

(西安交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

為驗(yàn)證交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了一套交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，借助于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出了本科生科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供易于創(chuàng)新的實(shí)踐環(huán)境，有效提高了學(xué)生專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和科研創(chuàng)新能力。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 伺服特性； 數(shù)控技術(shù)； 科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

0 引 言

伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其特性一直是影響數(shù)控機(jī)床加工性能的重要指標(biāo)[1]。隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及半導(dǎo)體功率器件和大規(guī)模集成電路的不斷進(jìn)步，交流永磁伺服系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人以及包裝、印刷、紡織、醫(yī)療等領(lǐng)域，高可靠性的伺服系統(tǒng)的研發(fā)已成為一項(xiàng)重要研究課題[2-5]。西安交通大學(xué)數(shù)字控制與裝備技術(shù)研究室自主研發(fā)了交流永磁伺服系統(tǒng)，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，設(shè)計(jì)了一套交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能用于深入開(kāi)展伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證伺服驅(qū)動(dòng)器理論模型、相關(guān)控制算法及伺服參數(shù)優(yōu)化效果等各項(xiàng)研究，對(duì)數(shù)控機(jī)床高速高精度控制系統(tǒng)的研發(fā)具有重要意義。同時(shí)，把科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)發(fā)出了數(shù)控技術(shù)科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，該科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力方面有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體方案

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的模式搭建[6～11]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負(fù)載和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其整體方案如圖1所示。交流永磁伺服系統(tǒng)集成在伺服驅(qū)動(dòng)器中，用以控制交流永磁同步電機(jī)(AC Permanent Magnet Synchronous Motor，APMSM)的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動(dòng)器連接控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于調(diào)試伺服驅(qū)動(dòng)器程序以及測(cè)試結(jié)果的輸出和顯示，也可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器操作面板上的按鍵直接進(jìn)行簡(jiǎn)單操作來(lái)控制電機(jī)。磁粉制動(dòng)器作為系統(tǒng)負(fù)載，產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與恒流源施加在其上的電流成正比，通過(guò)查閱磁粉制動(dòng)器的特性曲線，調(diào)節(jié)恒流源輸出電流大小，即可改變磁粉制動(dòng)器負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。采集系統(tǒng)用于采集和處理扭矩傳感器和編碼器的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成扭矩信息和轉(zhuǎn)速信息，然后反饋回控制系統(tǒng)。

圖1 交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體方案

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以電機(jī)作為始端提供動(dòng)力，磁粉制動(dòng)器作為末端施加負(fù)載力矩，兩者之間連接有扭矩傳感器和編碼器，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含的組成部分及其功能如下：①交流永磁同步電機(jī)，提供系統(tǒng)動(dòng)力；②扭矩傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)扭矩；③編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速并將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)；④同步齒形帶傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，拓寬了實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速及扭矩測(cè)試范圍；⑤配重盤，調(diào)整外部慣量；⑥磁粉制動(dòng)器，改變系統(tǒng)負(fù)載扭矩。

同步齒形帶傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)[12-13]是在與傳動(dòng)軸平行的軸上安裝磁粉制動(dòng)器，磁粉制動(dòng)器上安裝大帶輪，傳動(dòng)軸上安裝小帶輪。該減速機(jī)構(gòu)可將電機(jī)高轉(zhuǎn)速降低到磁粉制動(dòng)器最大容許轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，采用三菱ZX-5YS磁粉制動(dòng)器的最大容許轉(zhuǎn)速600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩50 N·m。為了拓寬電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)了減速機(jī)構(gòu)5∶1、3∶1及1∶1的3種減速比方案。當(dāng)減速比為5∶1時(shí)，能夠測(cè)試電機(jī)最大速度3 000 r/min，最大扭矩為10 N·m；當(dāng)減速比為3∶1時(shí)，能夠測(cè)試電機(jī)最大速度1 800 r/min，最大扭矩16.7 N·m；當(dāng)減速比為1∶1時(shí)，即磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載直接接入到主軸末端，測(cè)試電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為600 r/min，最大扭矩50 N·m。當(dāng)調(diào)整減速比時(shí)，小帶輪不變，只需松開(kāi)同步帶，更換大帶輪，調(diào)整中心距即可。這樣設(shè)計(jì)的減速機(jī)構(gòu)能方便更換配重盤，隔離常規(guī)減速器產(chǎn)生的振動(dòng)，還可以帶來(lái)高的傳動(dòng)效率。

1-電機(jī)；2-扭矩傳感器；3-編碼器；4-同步帶減速機(jī)構(gòu)；5-配重盤；6-磁粉制動(dòng)器

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 dSPACE系統(tǒng)采集界面

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

扭矩傳感器和編碼器的信號(hào)采集和分析采用dSPACE系統(tǒng)。扭矩傳感器的輸出電壓與測(cè)量的扭矩值成正比，通過(guò)dSPACE系統(tǒng)測(cè)量扭矩傳感器的輸出電壓即可實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)際扭矩值。同時(shí)dSPACE系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集編碼器信號(hào)測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速。

dSPACE公司開(kāi)發(fā)的這套實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一套基于Matlab公司Simulink的仿真軟件，主要用于控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試目的工作平臺(tái)。dSPACE硬件系統(tǒng)具有高速的計(jì)算能力，還能實(shí)現(xiàn)代碼生成、下載、試驗(yàn)和調(diào)試的軟件環(huán)境。圖3為在ControlDesk中建立采集界面。圖中紅線代表轉(zhuǎn)速(設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)，綠線代表扭矩(施加扭矩約為1 N·m)。轉(zhuǎn)速值與扭矩值的波形及數(shù)據(jù)均可以顯示和保存，并且可以直接利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。圖4為轉(zhuǎn)速為700 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從1 N·m突變到4 N·m時(shí)，速度和扭矩的響應(yīng)特性曲線圖。圖5為3種指令轉(zhuǎn)速500、1 000和1 500 r/min得到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩辨識(shí)結(jié)果比較圖。

(a) 轉(zhuǎn)速曲線

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 不同轉(zhuǎn)速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩辨識(shí)結(jié)果比較圖

1.4 交流永磁伺服系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要測(cè)試對(duì)象為交流永磁伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、低速穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問(wèn)題是評(píng)價(jià)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。這些指標(biāo)主要受伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件及硬件的程序交流采樣、PWM矢量控制策略、3個(gè)控制環(huán)的控制參數(shù)計(jì)算、控制板及功率板電路設(shè)計(jì)等因素影響。

1.4.1 交流永磁伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

交流永磁伺服系統(tǒng)硬件主要包括控制板、功率板、人機(jī)接口按鍵板?？刂瓢逡訢SP+FPGA為主要架構(gòu)，是整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分?？刂瓢逯饕δ転椋孩賹?shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，為控制模塊提供PWM信號(hào)；②電流反饋信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換；③與上位機(jī)控制系統(tǒng)通信，接收控制信號(hào)；④電機(jī)編碼器信號(hào)的采集與處理。功率板主要用于給伺服系統(tǒng)以及IPM(Intelligent Power Module)供電、電流采樣以及實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)的功能。按鍵板主要用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定與修改、報(bào)警與參數(shù)顯示等人機(jī)交互的功能。圖6是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件功能劃分框圖。

圖6 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件功能劃分框圖

1.4.2 永磁交流伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括定時(shí)器1中斷服務(wù)程序和AD采樣程序。交流伺服系統(tǒng)程序的控制核心為定時(shí)器1中斷[14]，主要完成電流采樣、編碼器信號(hào)反饋、坐標(biāo)變化、3個(gè)控制環(huán)的控制參數(shù)計(jì)算以及SVPWM的生成。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作完成以后就進(jìn)入了一個(gè)等待循環(huán)，每個(gè)事件的發(fā)生都會(huì)觸發(fā)中斷響應(yīng)程序，然后中斷程序?qū)ο鄳?yīng)的事件進(jìn)行處理。定時(shí)器1中斷服務(wù)程序的流程圖如圖7所示。系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)化程序主要完成電流反饋信號(hào)、母線電壓采集信號(hào)以及溫度傳感器采集信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。

圖7 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

將科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化到數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)面向機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)[15]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①交流永磁同步電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)；②交流永磁同步電機(jī)啟動(dòng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)；③交流永磁同步電機(jī)負(fù)載突變測(cè)試實(shí)驗(yàn)；④交流永磁同步電機(jī)低速特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)；⑤U相電流采集及其諧波分析實(shí)驗(yàn)⑥交流永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)；⑦基于EKF的負(fù)載轉(zhuǎn)矩辨識(shí)實(shí)驗(yàn)；⑧基于EKF的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠了解永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)和電機(jī)矢量控制原理；了解自適應(yīng)和擴(kuò)展卡爾曼濾波這兩種在線參數(shù)辨識(shí)方法的原理；能夠通過(guò)外部負(fù)載變化和伺服系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整熟悉電機(jī)和外部負(fù)載的匹配規(guī)律；掌握伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)控制方法；理解比例、積分和微分項(xiàng)對(duì)PID控制器控制效果的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

交流永磁伺服系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以測(cè)試交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，在加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，節(jié)約成本方面有重要意義。同時(shí)，學(xué)生可以對(duì)伺服電機(jī)特性、多軸控制系統(tǒng)、控制理論與控制策略選擇等方面展開(kāi)實(shí)驗(yàn)和研究。這樣把科研成果轉(zhuǎn)化到實(shí)踐教學(xué)中，既豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，又保持了實(shí)驗(yàn)課程的與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上成功開(kāi)發(fā)出了本科生科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也為研究生科學(xué)研究打下實(shí)踐基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供易于創(chuàng)新的實(shí)踐環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和綜合知識(shí)運(yùn)用能力。

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要切實(shí)改變重理論輕實(shí)踐、重知識(shí)傳授輕能力培養(yǎng)的觀念，注重學(xué)思結(jié)合，注重知行統(tǒng)一，注重因材施教，以強(qiáng)化實(shí)踐教育有關(guān)要求為重點(diǎn)，以創(chuàng)新實(shí)踐教育人方法途徑為基礎(chǔ)，以加強(qiáng)實(shí)踐育人基地建設(shè)為依托，以加大實(shí)踐育人經(jīng)費(fèi)投入為保障，積極調(diào)動(dòng)整合社會(huì)各方面資源，形成實(shí)踐育人合力，著力構(gòu)建長(zhǎng)效機(jī)制，努力推動(dòng)高校實(shí)踐育人工作取得新成效、開(kāi)創(chuàng)新局面。

摘自《教思政[2012]1號(hào)文件》

Design of Performance Testing Platform of AC Permanent Magnet Servo System and Its Application

LIJing,ZHANGYing-qing,MEIXue-song,XUXue-wu,ZHANGDong-shang,SUYang

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China)

Servo drive system is an important component of the numerical control (NC) machine. To test the performance of AC permanent magnet servo drive system, Xi’an Jiaotong University designs the testing platform which includes servo driver-motor system, load system and data acquisition system. The servo driver is the product which was invented and designed independently by Xi’an Jiaotong University digital control and equipment and technology research room. The scientific research innovation experiment to test the performance of AC permanent magnet servo system was set up on the base of the testing platform for undergraduate. This way is to apply research achievements to practice teaching progress. It not only enriches the experiment content, but maintains the advancement of practical teaching. The testing platform provides an innovation atmosphere and improves effectively students' comprehensive application abilities of professional knowledge and innovation abilities in scientific research.

servo drive system; servo system performance; numerical control technology; scientific research innovation experiment

2015-03-30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF04B00)；陜西省數(shù)控一代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程項(xiàng)目(2013KTZB01-01-01)

李 晶(1975-)，女，遼寧營(yíng)口人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)楦呔軘?shù)控加工技術(shù)、液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)。

Tel.：15388625128；E-mail：jingli927@xjtu.edu.cn

TP 275

A

1006-7167(2015)11-0046-04