交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺設計及應用

李 晶， 張迎慶， 梅雪松， 徐學武， 張東升， 蘇 洋

(西安交通大學，機械工程學院，陜西 西安 710049)

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交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺設計及應用

李 晶， 張迎慶， 梅雪松， 徐學武， 張東升， 蘇 洋

(西安交通大學，機械工程學院，陜西 西安 710049)

為驗證交流伺服驅動系統的性能，設計了一套交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺。該實驗平臺由被測伺服驅動器-電動機系統、負載和數據采集系統組成，借助于該實驗平臺，開發出了本科生科研創新實驗——交流永磁伺服系統性能測試開放實驗。實踐表明，該實驗平臺為學生提供易于創新的實踐環境，有效提高了學生專業知識綜合運用能力和科研創新能力。

伺服驅動系統； 伺服特性； 數控技術； 科研創新實驗

0 引 言

伺服驅動裝置是數控機床的重要功能部件，其特性一直是影響數控機床加工性能的重要指標[1]。隨著電機控制技術的不斷發展以及半導體功率器件和大規模集成電路的不斷進步，交流永磁伺服系統已廣泛應用于數控機床、機器人以及包裝、印刷、紡織、醫療等領域，高可靠性的伺服系統的研發已成為一項重要研究課題[2-5]。西安交通大學數字控制與裝備技術研究室自主研發了交流永磁伺服系統，為驗證該系統的動態響應性能，設計了一套交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺。該實驗平臺能用于深入開展伺服系統的響應性能，實現驗證伺服驅動器理論模型、相關控制算法及伺服參數優化效果等各項研究，對數控機床高速高精度控制系統的研發具有重要意義。同時，把科研成果及時轉化到實驗教學中，開發出了數控技術科研創新實驗——交流永磁伺服系統性能測試開放實驗。實踐表明，該科研創新實驗在提高學生專業知識綜合運用能力和工程實踐能力方面有重要意義。

1 實驗平臺設計

1.1 實驗平臺整體方案

本實驗平臺采用執行電機拖動固有負載的模式搭建[6～11]。實驗平臺由被測伺服驅動器-電動機系統、系統固有負載和數據采集系統組成，其整體方案如圖1所示。交流永磁伺服系統集成在伺服驅動器中，用以控制交流永磁同步電機(AC Permanent Magnet Synchronous Motor，APMSM)的啟動、停止和轉速。伺服驅動器連接控制系統，控制系統用于調試伺服驅動器程序以及測試結果的輸出和顯示，也可以通過驅動器操作面板上的按鍵直接進行簡單操作來控制電機。磁粉制動器作為系統負載，產生的負載轉矩與恒流源施加在其上的電流成正比，通過查閱磁粉制動器的特性曲線，調節恒流源輸出電流大小，即可改變磁粉制動器負載轉矩的大小。采集系統用于采集和處理扭矩傳感器和編碼器的信號并將其轉化成扭矩信息和轉速信息，然后反饋回控制系統。

圖1 交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺整體方案

1.2 實驗平臺主體結構設計

實驗平臺以電機作為始端提供動力，磁粉制動器作為末端施加負載力矩，兩者之間連接有扭矩傳感器和編碼器，實驗平臺的主體結構示意圖如圖2所示。實驗臺包含的組成部分及其功能如下：①交流永磁同步電機，提供系統動力；②扭矩傳感器，實時測量系統扭矩；③編碼器，實時測量轉速并將信號反饋給控制系統；④同步齒形帶傳動減速機構，拓寬了實驗臺轉速及扭矩測試范圍；⑤配重盤，調整外部慣量；⑥磁粉制動器，改變系統負載扭矩。

同步齒形帶傳動減速機構[12-13]是在與傳動軸平行的軸上安裝磁粉制動器，磁粉制動器上安裝大帶輪，傳動軸上安裝小帶輪。該減速機構可將電機高轉速降低到磁粉制動器最大容許轉速范圍內的轉速。實際測試實驗中，采用三菱ZX-5YS磁粉制動器的最大容許轉速600 r/min，額定轉矩50 N·m。為了拓寬電機的轉速、扭矩測量范圍，設計了減速機構5∶1、3∶1及1∶1的3種減速比方案。當減速比為5∶1時，能夠測試電機最大速度3 000 r/min，最大扭矩為10 N·m；當減速比為3∶1時，能夠測試電機最大速度1 800 r/min，最大扭矩16.7 N·m；當減速比為1∶1時，即磁粉制動器作為負載直接接入到主軸末端，測試電機的最大轉速為600 r/min，最大扭矩50 N·m。當調整減速比時，小帶輪不變，只需松開同步帶，更換大帶輪，調整中心距即可。這樣設計的減速機構能方便更換配重盤，隔離常規減速器產生的振動，還可以帶來高的傳動效率。

1-電機；2-扭矩傳感器；3-編碼器；4-同步帶減速機構；5-配重盤；6-磁粉制動器

圖2 實驗平臺主體結構示意圖

圖3 dSPACE系統采集界面

1.3 數據采集與分析系統

扭矩傳感器和編碼器的信號采集和分析采用dSPACE系統。扭矩傳感器的輸出電壓與測量的扭矩值成正比，通過dSPACE系統測量扭矩傳感器的輸出電壓即可實時測量實際扭矩值。同時dSPACE系統可以實時采集編碼器信號測量實際轉速。

dSPACE公司開發的這套實時仿真系統是一套基于Matlab公司Simulink的仿真軟件，主要用于控制系統的開發和測試目的工作平臺。dSPACE硬件系統具有高速的計算能力，還能實現代碼生成、下載、試驗和調試的軟件環境。圖3為在ControlDesk中建立采集界面。圖中紅線代表轉速(設定轉速為1 000 r/min)，綠線代表扭矩(施加扭矩約為1 N·m)。轉速值與扭矩值的波形及數據均可以顯示和保存，并且可以直接利用Matlab進行數據分析和處理。圖4為轉速為700 r/min，負載轉矩從1 N·m突變到4 N·m時，速度和扭矩的響應特性曲線圖。圖5為3種指令轉速500、1 000和1 500 r/min得到的負載轉矩辨識結果比較圖。

(a) 轉速曲線

(b) 輸出轉矩曲線

圖5 不同轉速下負載轉矩辨識結果比較圖

1.4 交流永磁伺服系統的軟硬件設計

實驗平臺主要測試對象為交流永磁伺服驅動器，伺服系統的調速范圍、轉矩波動、低速穩定性、動態響應等問題是評價伺服驅動系統的重要指標。這些指標主要受伺服驅動系統的軟件及硬件的程序交流采樣、PWM矢量控制策略、3個控制環的控制參數計算、控制板及功率板電路設計等因素影響。

1.4.1 交流永磁伺服系統硬件設計

交流永磁伺服系統硬件主要包括控制板、功率板、人機接口按鍵板?？刂瓢逡訢SP+FPGA為主要架構，是整個伺服驅動系統的核心部分?？刂瓢逯饕δ転椋孩賹崿F復雜的控制算法，為控制模塊提供PWM信號；②電流反饋信號的A/D轉換；③與上位機控制系統通信，接收控制信號；④電機編碼器信號的采集與處理。功率板主要用于給伺服系統以及IPM(Intelligent Power Module)供電、電流采樣以及實現故障保護的功能。按鍵板主要用于實現參數的設定與修改、報警與參數顯示等人機交互的功能。圖6是伺服驅動系統硬件功能劃分框圖。

圖6 伺服驅動系統硬件功能劃分框圖

1.4.2 永磁交流伺服系統軟件設計

交流伺服系統的軟件設計主要包括定時器1中斷服務程序和AD采樣程序。交流伺服系統程序的控制核心為定時器1中斷[14]，主要完成電流采樣、編碼器信號反饋、坐標變化、3個控制環的控制參數計算以及SVPWM的生成。當整個系統的初始化工作完成以后就進入了一個等待循環，每個事件的發生都會觸發中斷響應程序，然后中斷程序對相應的事件進行處理。定時器1中斷服務程序的流程圖如圖7所示。系統AD轉化程序主要完成電流反饋信號、母線電壓采集信號以及溫度傳感器采集信號的AD轉換。

圖7 定時器1中斷服務程序流程圖

2 實驗平臺應用

將科研成果及時轉化到數控技術實踐教學中，在該實驗平臺基礎上開發出了交流永磁伺服系統性能測試開放實驗。本實驗面向機械工程及自動化專業高年級本科生開設，實驗學時為32學時[15]。實驗內容：①交流永磁同步電機扭矩、轉速穩定性實驗；②交流永磁同步電機啟動特性測試實驗；③交流永磁同步電機負載突變測試實驗；④交流永磁同步電機低速特性測試實驗；⑤U相電流采集及其諧波分析實驗⑥交流永磁同步電機矢量控制系統參數整定實驗；⑦基于EKF的負載轉矩辨識實驗；⑧基于EKF的轉動慣量辨識實驗。通過實驗，學生能夠了解永磁同步電機的特點和電機矢量控制原理；了解自適應和擴展卡爾曼濾波這兩種在線參數辨識方法的原理；能夠通過外部負載變化和伺服系統參數調整熟悉電機和外部負載的匹配規律；掌握伺服系統的位置環、速度環和電流環的三環控制方法；理解比例、積分和微分項對PID控制器控制效果的影響。

3 結 語

交流永磁伺服系統性能測試實驗平臺可以測試交流伺服驅動系統的動態響應性能，在加快產品研發進程，節約成本方面有重要意義。同時，學生可以對伺服電機特性、多軸控制系統、控制理論與控制策略選擇等方面展開實驗和研究。這樣把科研成果轉化到實踐教學中，既豐富了實驗教學內容，又保持了實驗課程的與時俱進，不斷創新。在該實驗平臺基礎上成功開發出了本科生科研創新實驗，同時也為研究生科學研究打下實踐基礎。該實驗平臺為學生提供易于創新的實踐環境，培養了學生的科研創新能力和綜合知識運用能力。

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要切實改變重理論輕實踐、重知識傳授輕能力培養的觀念，注重學思結合，注重知行統一，注重因材施教，以強化實踐教育有關要求為重點，以創新實踐教育人方法途徑為基礎，以加強實踐育人基地建設為依托，以加大實踐育人經費投入為保障，積極調動整合社會各方面資源，形成實踐育人合力，著力構建長效機制，努力推動高校實踐育人工作取得新成效、開創新局面。

摘自《教思政[2012]1號文件》

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

國家科技支撐計劃項目(2013BAF04B00)；陜西省數控一代機械產品創新應用示范工程項目(2013KTZB01-01-01)

李 晶(1975-)，女，遼寧營口人，碩士，助理研究員，研究方向為高精密數控加工技術、液壓傳動與控制技術。

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

TP 275

A

1006-7167(2015)11-0046-04