[发明专利]一种伺服系统可变惯量控制方法与装置

说明书

【技术领域】

本发明属于机电控制技术领域，尤其涉及一种伺服系统可变惯量控制方法与装置。

【背景技术】

永磁同步电机具有体积小、效率高、电磁转矩大、控制方便等诸多优点，已广泛应用于高性能、高精度的控制场合，如数控机床、工业机器人、航空航天等领域。高性能的伺服系统对永磁同步电机的速度动态性能有很高的要求。在电机实际运行过程中，负载转动惯量的变化会改变控制对象的数学模型，进而影响伺服系统的动态性能，降低整个系统的伺服特性。为提高伺服系统的控制性能，需要对转动惯量进行辨识，以获得转动惯量的准确数值并用于伺服控制。

在对永磁交流伺服系统进行惯量辨识时，需要改变系统的转动惯量以验证辨识算法的正确性和有效性。常规的方法是将电机轴和磁粉离合器连接，通过控制离合器的脱离和接合，根据联轴器和磁粉离合器的尺寸和质量，计算出离合前后伺服系统总的转动惯量。这种方法虽然能够改变伺服系统的转动惯量，但仅能实现惯量的突加和突卸，与实际应用中转动惯量动态时变的情况不太相符。

【发明内容】

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种伺服系统可变惯量控制方法与装置，该装置不仅可以实现伺服系统的惯量突变，而且可以实现伺服系统的惯量渐变。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种伺服系统可变惯量装置，包括底座、永磁同步电机和磁粉离合器；所述的底座上设置有立柱，立柱顶部设置有试验台；所述的永磁同步电机与底座连接；所述的试验台底部设置有拖台，顶部安装有曲柄滑块机构；所述的磁粉离合器安装在拖台上，磁粉离合器的输入轴与永磁同步电机的输出轴连接，磁粉离合器的输出轴与曲柄滑块机构连接，通过调节磁粉离合器的激磁电流以控制曲柄滑块机构和永磁同步电机的脱离和接合；磁粉离合器的输出轴上设置有用于测量曲柄滑块机构的位置角度的绝对式光电编码器。

作为本发明方进一步改进，所述的永磁同步电机通过升降台与底座上的立柱连接，所述的升降台上设置有用于调节位置高度的紧固螺母。

作为本发明方进一步改进，所述的升降台上设置有电机固定装置，永磁同步电机依靠电机固定装置和预紧螺栓固定。

作为本发明方进一步改进，所述的磁粉离合器与永磁同步电机之间设置有转矩传感器。

作为本发明方进一步改进，所述的曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述的曲柄一端与磁粉离合器的输出轴固定，连杆与曲柄及滑块铰接，滑块下端活动设置在试验台的滑槽内。

作为本发明方进一步改进，所述的曲柄和连杆的长度相等。

作为本发明方进一步改进，所述的永磁同步电机、磁粉离合器和绝对式光电编码器同轴安装。

一种伺服系统可变惯量装置的控制方法，包括：惯量突变、电惯量模拟和惯量渐变三种工作模式；

惯量突变工作模式是将永磁同步电机和磁粉离合器连接，磁粉离合器的输出轴不连接负载，永磁同步电机带动磁粉离合器旋转，使磁粉离合器处于同步工作状态；通过控制磁粉离合器的激磁电流来控制离合器和永磁同步电机的脱离和接合，实现系统转动惯量的突变；

电惯量模拟工作模式是将磁粉离合器的从动转子固定形成制动器，使离合器处于滑差工作状态，通过控制激磁电流的大小来控制传递转矩，实现机械惯量的电惯量模拟，负载模拟器的输出转矩满足：

式中T′_L为负载模拟器的输出转矩；T_L为负载转矩；J_L为负载的转动惯量；ω为电机的角速度；

惯量渐变工作模式是永磁同步电机通过磁粉离合器驱动曲柄滑块机构，使磁粉离合器处于同步工作状态，利用绝对式光电编码器测量曲柄滑块机构的位置角度，实现系统转动惯量的周期性渐变。

所述的转动惯量的周期性渐变，具体实现步骤包括：

以等效前后动能相等为依据，推导出曲柄滑块机构的等效转动惯量的数学模型J_E(θ)；

通过绝对式光电编码器测量获取曲柄滑块机构的位置角度θ；

利用等效惯量J_E(θ)变化与位置θ之间存在的关系，由位置值θ实时计算出曲柄滑块机构的等效惯量J_E(θ)；

伺服系统总的转动惯量J为等效转动惯量J_E(θ)和电机及其它部分的惯量之和J_M的叠加。

等效转动惯量J_E(θ)满足：