基于负载模拟器的伺服电机力矩测试系统研究

摘要

负载模拟器用于在实验室环境下模拟被测电机实际工况下所受的负载力矩，目前广泛应用于伺服电机性能测试，为被测电机提供模拟加载力矩，组成带负载模拟的性能测试系统。电动式负载模拟器属于被动式力矩加载系统，被测电机主动运动引起的多余力矩是制约加载精度和加载频宽的重要因素，为进一步提高负载模拟器性能，本课题从系统设计、模型建立及控制策略方面进行改进。 针对嵌入式系统运算能力有限，而负载模拟器对力矩加载精度和实时性要求较高，提出硬件在环的力矩加载方案，搭建基于X86下位机的伺服原型系统，RIO板卡搭载FPGA模块运行驱动程序电流环，测试板实现功率转化和反馈信号调理，转矩传感器的信号通过FPGA端口接入板卡，形成力矩控制闭环，提高力矩加载精度。 为获取更准确的待加载力矩信号，在分析同步带运动过程中负载力矩和负载惯量特性的基础上，建立Adams环境下的同步带动力学模型，并得到加载力矩曲线。以永磁同步电机模型和负载模拟器模型为基础，建立负载模拟器的Simulink模型。 针对模拟同步带的力矩加载信号特征，提出重复控制策略。为提高系统响应速度，设计重复控制与PI控制结合的复合控制器，结合重复控制无静差跟踪周期信号的优点和PI控制器实时响应性高的优点，实现负载模拟器的高性能跟踪。 仿真和实物实验证明，基于复合控制器的负载模拟器有较好的力矩跟随特性和较大的多余力矩消扰比。最后，设计同步带带载与模拟同步带负载的实验对比，验证了带负载模拟的测试系统的可信度。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2负载模拟器应用与发展

1．3国内外研究现状

1．3．1电动式负载模拟器研究现状

1．3．2硬件在回路仿真研究现状

1．4研究内容

2电动负载模拟器测试系统设计及原理分析

2．1电动负载模拟器方案设计

2．2永磁同步电机数学模型

2．2．1静止坐标系下数学模型

2．2．2坐标变换及变换矩阵

2．2．3同步旋转坐标系下数学模型

2．3系统硬件结构

2．3．1原型系统驱动模块

2．3．2信号调理模块

2．4系统软件结构

2．5本章小结

3电动负载模拟器模型分析

3．1电动负载模拟系统数学模型

3．1．1负载力矩加载模型

3．1．2传感器模型

3．1．3负载模拟器模型

3．2基于虚拟样机的同步带负载模型分析

3．2．1负载转矩计算

3．2．2负载惯量计算

3．2．3 Adams模型建立

3．2．4仿真结果分析

3．3本章小结

4电动负载模拟器多余力矩抑制及控制策略研究

4．1多余力矩产生机理

4．2基于重复控制器的复合控制方案

4．2．1重复控制原理与结构

4．2．2基于重复控制的复合控制策略研究

4．3复合控制器参数设计

4．3．1重复控制器稳定性参数设计

4．3．2 PI控制器参数设计

4．3仿真实验

4．4本章小结

5实验研究

5．1测试台硬件组成

5．2负载模拟器评价指标

5．3负载模拟器性能测试实验

5．4模拟负载的测试系统实验

5．5本章小结

6总结与展望

6．1论文总结

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录