交流永磁伺服系统性能测试实验平台设计及应用

李 晶， 张迎庆， 梅雪松， 徐学武， 张东升， 苏 洋

(西安交通大学，机械工程学院，陕西 西安 710049)



交流永磁伺服系统性能测试实验平台设计及应用

李 晶， 张迎庆， 梅雪松， 徐学武， 张东升， 苏 洋

(西安交通大学，机械工程学院，陕西 西安 710049)

为验证交流伺服驱动系统的性能，设计了一套交流永磁伺服系统性能测试实验平台。该实验平台由被测伺服驱动器-电动机系统、负载和数据采集系统组成，借助于该实验平台，开发出了本科生科研创新实验——交流永磁伺服系统性能测试开放实验。实践表明，该实验平台为学生提供易于创新的实践环境，有效提高了学生专业知识综合运用能力和科研创新能力。

伺服驱动系统； 伺服特性； 数控技术； 科研创新实验

0 引 言

伺服驱动装置是数控机床的重要功能部件，其特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标[1]。随着电机控制技术的不断发展以及半导体功率器件和大规模集成电路的不断进步，交流永磁伺服系统已广泛应用于数控机床、机器人以及包装、印刷、纺织、医疗等领域，高可靠性的伺服系统的研发已成为一项重要研究课题[2-5]。西安交通大学数字控制与装备技术研究室自主研发了交流永磁伺服系统，为验证该系统的动态响应性能，设计了一套交流永磁伺服系统性能测试实验平台。该实验平台能用于深入开展伺服系统的响应性能，实现验证伺服驱动器理论模型、相关控制算法及伺服参数优化效果等各项研究，对数控机床高速高精度控制系统的研发具有重要意义。同时，把科研成果及时转化到实验教学中，开发出了数控技术科研创新实验——交流永磁伺服系统性能测试开放实验。实践表明，该科研创新实验在提高学生专业知识综合运用能力和工程实践能力方面有重要意义。

1 实验平台设计

1.1 实验平台整体方案

本实验平台采用执行电机拖动固有负载的模式搭建[6～11]。实验平台由被测伺服驱动器-电动机系统、系统固有负载和数据采集系统组成，其整体方案如图1所示。交流永磁伺服系统集成在伺服驱动器中，用以控制交流永磁同步电机(AC Permanent Magnet Synchronous Motor，APMSM)的启动、停止和转速。伺服驱动器连接控制系统，控制系统用于调试伺服驱动器程序以及测试结果的输出和显示，也可以通过驱动器操作面板上的按键直接进行简单操作来控制电机。磁粉制动器作为系统负载，产生的负载转矩与恒流源施加在其上的电流成正比，通过查阅磁粉制动器的特性曲线，调节恒流源输出电流大小，即可改变磁粉制动器负载转矩的大小。采集系统用于采集和处理扭矩传感器和编码器的信号并将其转化成扭矩信息和转速信息，然后反馈回控制系统。

图1 交流永磁伺服系统性能测试实验平台整体方案

1.2 实验平台主体结构设计

实验平台以电机作为始端提供动力，磁粉制动器作为末端施加负载力矩，两者之间连接有扭矩传感器和编码器，实验平台的主体结构示意图如图2所示。实验台包含的组成部分及其功能如下：①交流永磁同步电机，提供系统动力；②扭矩传感器，实时测量系统扭矩；③编码器，实时测量转速并将信号反馈给控制系统；④同步齿形带传动减速机构，拓宽了实验台转速及扭矩测试范围；⑤配重盘，调整外部惯量；⑥磁粉制动器，改变系统负载扭矩。

同步齿形带传动减速机构[12-13]是在与传动轴平行的轴上安装磁粉制动器，磁粉制动器上安装大带轮，传动轴上安装小带轮。该减速机构可将电机高转速降低到磁粉制动器最大容许转速范围内的转速。实际测试实验中，采用三菱ZX-5YS磁粉制动器的最大容许转速600 r/min，额定转矩50 N·m。为了拓宽电机的转速、扭矩测量范围，设计了减速机构5∶1、3∶1及1∶1的3种减速比方案。当减速比为5∶1时，能够测试电机最大速度3 000 r/min，最大扭矩为10 N·m；当减速比为3∶1时，能够测试电机最大速度1 800 r/min，最大扭矩16.7 N·m；当减速比为1∶1时，即磁粉制动器作为负载直接接入到主轴末端，测试电机的最大转速为600 r/min，最大扭矩50 N·m。当调整减速比时，小带轮不变，只需松开同步带，更换大带轮，调整中心距即可。这样设计的减速机构能方便更换配重盘，隔离常规减速器产生的振动，还可以带来高的传动效率。

1-电机；2-扭矩传感器；3-编码器；4-同步带减速机构；5-配重盘；6-磁粉制动器

图2 实验平台主体结构示意图

图3 dSPACE系统采集界面

1.3 数据采集与分析系统

扭矩传感器和编码器的信号采集和分析采用dSPACE系统。扭矩传感器的输出电压与测量的扭矩值成正比，通过dSPACE系统测量扭矩传感器的输出电压即可实时测量实际扭矩值。同时dSPACE系统可以实时采集编码器信号测量实际转速。

dSPACE公司开发的这套实时仿真系统是一套基于Matlab公司Simulink的仿真软件，主要用于控制系统的开发和测试目的工作平台。dSPACE硬件系统具有高速的计算能力，还能实现代码生成、下载、试验和调试的软件环境。图3为在ControlDesk中建立采集界面。图中红线代表转速(设定转速为1 000 r/min)，绿线代表扭矩(施加扭矩约为1 N·m)。转速值与扭矩值的波形及数据均可以显示和保存，并且可以直接利用Matlab进行数据分析和处理。图4为转速为700 r/min，负载转矩从1 N·m突变到4 N·m时，速度和扭矩的响应特性曲线图。图5为3种指令转速500、1 000和1 500 r/min得到的负载转矩辨识结果比较图。

(a) 转速曲线

(b) 输出转矩曲线

图5 不同转速下负载转矩辨识结果比较图

1.4 交流永磁伺服系统的软硬件设计

实验平台主要测试对象为交流永磁伺服驱动器，伺服系统的调速范围、转矩波动、低速稳定性、动态响应等问题是评价伺服驱动系统的重要指标。这些指标主要受伺服驱动系统的软件及硬件的程序交流采样、PWM矢量控制策略、3个控制环的控制参数计算、控制板及功率板电路设计等因素影响。

1.4.1 交流永磁伺服系统硬件设计

交流永磁伺服系统硬件主要包括控制板、功率板、人机接口按键板。控制板以DSP+FPGA为主要架构，是整个伺服驱动系统的核心部分。控制板主要功能为：①实现复杂的控制算法，为控制模块提供PWM信号；②电流反馈信号的A/D转换；③与上位机控制系统通信，接收控制信号；④电机编码器信号的采集与处理。功率板主要用于给伺服系统以及IPM(Intelligent Power Module)供电、电流采样以及实现故障保护的功能。按键板主要用于实现参数的设定与修改、报警与参数显示等人机交互的功能。图6是伺服驱动系统硬件功能划分框图。

图6 伺服驱动系统硬件功能划分框图

1.4.2 永磁交流伺服系统软件设计

交流伺服系统的软件设计主要包括定时器1中断服务程序和AD采样程序。交流伺服系统程序的控制核心为定时器1中断[14]，主要完成电流采样、编码器信号反馈、坐标变化、3个控制环的控制参数计算以及SVPWM的生成。当整个系统的初始化工作完成以后就进入了一个等待循环，每个事件的发生都会触发中断响应程序，然后中断程序对相应的事件进行处理。定时器1中断服务程序的流程图如图7所示。系统AD转化程序主要完成电流反馈信号、母线电压采集信号以及温度传感器采集信号的AD转换。

图7 定时器1中断服务程序流程图

2 实验平台应用

将科研成果及时转化到数控技术实践教学中，在该实验平台基础上开发出了交流永磁伺服系统性能测试开放实验。本实验面向机械工程及自动化专业高年级本科生开设，实验学时为32学时[15]。实验内容：①交流永磁同步电机扭矩、转速稳定性实验；②交流永磁同步电机启动特性测试实验；③交流永磁同步电机负载突变测试实验；④交流永磁同步电机低速特性测试实验；⑤U相电流采集及其谐波分析实验⑥交流永磁同步电机矢量控制系统参数整定实验；⑦基于EKF的负载转矩辨识实验；⑧基于EKF的转动惯量辨识实验。通过实验，学生能够了解永磁同步电机的特点和电机矢量控制原理；了解自适应和扩展卡尔曼滤波这两种在线参数辨识方法的原理；能够通过外部负载变化和伺服系统参数调整熟悉电机和外部负载的匹配规律；掌握伺服系统的位置环、速度环和电流环的三环控制方法；理解比例、积分和微分项对PID控制器控制效果的影响。

3 结 语

交流永磁伺服系统性能测试实验平台可以测试交流伺服驱动系统的动态响应性能，在加快产品研发进程，节约成本方面有重要意义。同时，学生可以对伺服电机特性、多轴控制系统、控制理论与控制策略选择等方面展开实验和研究。这样把科研成果转化到实践教学中，既丰富了实验教学内容，又保持了实验课程的与时俱进，不断创新。在该实验平台基础上成功开发出了本科生科研创新实验，同时也为研究生科学研究打下实践基础。该实验平台为学生提供易于创新的实践环境，培养了学生的科研创新能力和综合知识运用能力。

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要切实改变重理论轻实践、重知识传授轻能力培养的观念，注重学思结合，注重知行统一，注重因材施教，以强化实践教育有关要求为重点，以创新实践教育人方法途径为基础，以加强实践育人基地建设为依托，以加大实践育人经费投入为保障，积极调动整合社会各方面资源，形成实践育人合力，着力构建长效机制，努力推动高校实践育人工作取得新成效、开创新局面。

摘自《教思政[2012]1号文件》

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

国家科技支撑计划项目(2013BAF04B00)；陕西省数控一代机械产品创新应用示范工程项目(2013KTZB01-01-01)

李 晶(1975-)，女，辽宁营口人，硕士，助理研究员，研究方向为高精密数控加工技术、液压传动与控制技术。

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

TP 275

A

1006-7167(2015)11-0046-04