直線電動機推力測試虛擬仿真實驗設計

于立娟， 張學成， 陳曉波， 熊宇翔， 王 昕

（吉林大學機械與航空航天學院，長春130022）

0 引 言

機電傳動控制是機械工程學科的專業基礎課，在前修課程物理、電工電子、控制工程等基礎上，講授具有工程實際應用功能的電氣傳動基礎知識及應用。課程內容主要包括電動機、電氣控制系統等，電動機的結構、原理、性能是課程課堂教學與實踐教學的重要組成部分，其中直線電動機是一種將電能轉化為直線運動的機械能，而不需要任何中間轉換機構的零傳動電動機［1］，具有定位精度高、靈敏度高、安全可靠、零維護等特點，完全替代了“旋轉電機＋滾珠絲杠”的運動形式，除此以外，在生物醫學、物流運輸、機械工程、航空航天等方面正發揮越來越重要的作用。

虛擬仿真實驗平臺［2］是指“利用計算機、軟件和網絡技術構造的能夠模擬真實實驗環境和設備并能實現部分實驗功能的虛擬平臺”。近年來，國內外有很多高等院校和大型科研院所都建設了虛擬仿真實驗平臺，基本思想也是基于William Wolf教授［3］提出的“從虛擬設備至物理設備的過程”，被用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境，被形容成為“一個無墻的中心”。

針對機電、醫學、橋梁、塑性成形等類型本科課程典型實驗，國內高等院校建設了各種形式的虛擬仿真實驗平臺，利用先進的計算機網絡、虛擬現實、虛擬儀器等技術，建立開放型的課程虛擬仿真實驗平臺，徹底打破傳統實驗在時間、空間和資源上的限制，為學生提供高質量的虛擬實驗環境［4-8］。

1 虛擬仿真平臺下直線電動機推力測試實驗原理與特點

直線電動機推力測試實驗原理［9］如圖1 所示。系統由PC 工控機、伺服驅動器、直線電動機（動子、定子）、測力環、測力傳感器及其他輔助零部件組成。其中：PC工控機和驅動器之間采用RS-232 通信接口，通過端子連接，ELMO（Tuba 系列）驅動器的COM1 的TX、RX、COMMRET 分別與PC 計算機的RS-232 接口的RXD、TXD、GND連接；驅動器的M1、M2、M3、PE 分別與直線電動機的U、V、W、GND 連接；光柵尺的A＋、A-、B ＋、B-分別與驅動器FEEDBACK A接口的6、5、15、14、連接，驅動器的3、4 分別與光柵尺上的DGND、VDD連接；驅動器自身的輔助直流電源為24 V，動力電源用單相AC 220 V。

圖1 直線電動機推力測試虛擬仿真實驗原理

該實驗具有其他虛擬仿真實驗項目［10-17］的特點：預約實驗課程——自動生成課表、理論測試——查漏補缺、虛擬仿真實驗——搭建電路、智能糾錯——指出電路錯誤、不受場地、設備及耗材的限制、安全系數高等，除此以外，直線電動機推力測試實驗還具有自己的實驗特點：學生可以在虛擬仿真實驗平臺上熟悉直線電動機的工作原理及運行特征；熟悉直線電動機參數設置及其驅動器、控制器的操作方法及使用，動手操作直線電動機、驅動器、控制器、光柵尺之間的接線，直線電動機推力測試裝置模型和實物如圖2、3 所示；測試直線電動機的電磁推力。

2 直線電動機推力測試實驗的實驗過程

進入圖3、4 所示的實驗系統后，完全實行學生自主操作，包括電氣控制線路連接、線型選擇、參數設定等，學生在不同的參數運行時會得到不同的實驗數據和曲線。

圖2 直線電動機推力測試裝置模型和實物

圖3 虛擬仿真實驗的操作界面

圖4 虛擬仿真實驗過程中的參數設置

利用ELMO 驅動器提供的Composer 對電機控制參數進行自動調節。由于實驗選用直線光柵尺的輸出信號為EIA-422-A差模信號，需轉變為運動控制器可以接收處理的離散數字信號，以實現反饋調節。在圖5、6 所示的參數設置中選擇無刷直線電動機（Liner Brushless），持續電流為3 A，機械速度選為1.2 m/s。在主反饋中選擇增量式編碼器（Encoder），數字光柵尺的分辨率為0.5 μm，經伺服驅動器的4 倍頻后的每米脈沖為500 000 個。

直線電動機參數設置完成后，進入實驗狀態。使用測力環作為測試元件，在直線電動機額定載荷處預加載3 次，然后將測力環的大指針歸零，測力傳感器的數據由數顯表（2000 標準負荷測量儀）顯示，單位格式為mV/V。直線電動機運行時，分別在不同電流值時讀取測力環和數顯表數據，通電時間不宜超過20 s，以防止直線電動機繞組的溫升過快。數據讀數見表1。

圖5 電動機驅動器通信參數設定

圖6 驅動器電流參數設定

表1 直線電機靜態推力測試結果

根據輸出推力結果得到測力環與壓力傳感器輸出推力關系如圖7 所示，2 曲線分別說明繞組電流有效值和輸出推力的相關性，并可據此求出直線電動機的推力常數。

圖7 測力環與壓力傳感器輸出推力的關系

3 學生實驗過程中的操作項目

基于虛擬仿真技術的直線電動機推力測試實驗按照實驗預約、課表生成、實驗預習、虛擬仿真實驗、題目問答、成績評定的順序完成。在虛擬仿真實驗之前學生在預習試題庫中抽取5 道試題進行解答，預習內容為虛擬仿真實驗以及后續的真實實驗做知識準備；實驗開始時按照說明書指示完成電氣線路的連接，包括電動機與驅動器之間、驅動器與PC 機之間等，虛擬仿真實驗臺擺放、電腦主機面板上按鈕等位置與實際設備完全一致。再運用語音、動畫、視頻等進行人機互動；學生在系統中提交實驗報告，包括類似表1 所示的靜態推力測試結果和電機的推力特性曲線，最后教師通過網絡評審實驗報告，給定實驗成績。

4 結 語

虛擬仿真實驗平臺突破傳統實驗的時間、地點限制，在一定程度上彌補傳統實驗的不足，豐富了實踐教學的形式和內容，并給本科學生提供了創新的空間。虛擬仿真平臺下直線電動機推力測試實驗本著“虛、實結合、以實為主”的原則開設，具有以下的優點：學生操作安全性高，不受工業常用的AC220V、380V直線電動機供電電壓的制約；經濟性高，一般中等推力的直線電動機價格較貴，虛擬仿真實驗可以在較低成本下完成虛擬仿真實驗，有利于學生們對技術理論知識有更深刻理解，并在有限的實驗條件下，完成實際實驗裝置的演示實驗；虛擬仿真實驗平臺的智能糾錯功能，使學生在實驗輸入的參數有誤時自動糾錯，并提示修改成正確的數值，還可得到不同參數下的實驗曲線，掌握直線電動機的推力特性，完全體現了虛擬仿真實驗平臺經濟性、靈活性優勢。