（机械工程专业论文）力矩电机动力学性能测试研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着信息化技术的飞速发展，光电稳定跟踪系统在侦察、导航、定位等场合 的作用日益重要。力矩电机可以低转速、大转矩输出，能和负载直接相连，具有 反应速度快、线性度好等优点，已成为该类机电伺服系统的关键部件。因此，准 确测试力矩电机的各项性能指标，掌握伺服机构的动力学性能，对光电稳定跟踪 系统的设计具有重要意义。本文围绕力矩电机的动力学性能，对其工作原理、运 行特性和性能测试方法等进行了深入的分析和研究，目的是为高精度伺服系统中 的电机选择和性能控制提供依据。 论文首先设计完成了基于工控机和数据采集卡的电机自动测试系统。工控机 主要实现对整个实验过程的控制、逻辑运算和状态显示；数据采集卡主要执行工 控机的命令，进行实时数据采集；软件系统在l a b w i n d o w s c v l 开发环境下设计完 成。该测试系统可以对直流电机、步进电机等进行自动测试。 论文结合具体的测试方法，对1 3 0 l c 1 型永磁直流力矩测速机组的基本参数、 机械特性、效率特性等进行了在线测试，绘制了相关的特性曲线，并结合实验现 象，对相关实验结果进行了深入分析。 本文进一步从能量的角度出发，对永磁直流力矩电机的工作原理和运行特性 进行了分析，通过半实物仿真试验对电机模型进行了辨识；同时对电机低速运行 的非线性摩擦现象进行试验观察和分析，辨识出基于s t d b e , c k 模型的摩擦参数。 论文最后从测试系统的技术改进和功能实现两个方面，对系统的进一步完善 进行了展望。 主题词：电机性能自动测试模型辨识非线性摩擦 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p i n g 丽mt h ei n f o m a t i o nt e c h n o l o g y ，o p t o - e l e c t r o n i c ( o - e ) s t a b i l i z a t i o n a n dt r a c k i n gs y s t e m sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e c o n n a i s s a n c e ，n a v i g a t i o na n d o r i e n t a t i o ne q u i p m e n t s t o r q u em o t o rc a nb el i n k e dt ot h el o a dd i r e c t l y 、析t l lg r e a t t o r q u ea tl o ws p e e d ，a n dh a sb e e nc r u c i a li nt h i sm e c h a t r o n i c a ls e r v os y s t e m sf o ri t sf a s t r e s p o n s ea n df m cl i n e a r i t y n l ea c c u r a t ep e r f o r m a n c e so ft o r q u em o t o ra n dt h es p e c i f i c d y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h es e r v os y s t e mh a v es i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fo e s t a b i l i z a t i o na n dt r a c k i n gs 弘t e m s t l l i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s o nd y n a m i c p e r f o r m a n c e s 丽t l lt o r q u em o t o r ：w o r k i n gp r i n c i p l e ，o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c et e s t i n gm e t h o d s ，i no r d e rt op r o v i d ee v i d e n c e sf o rt h e m o t o rs e l e c t i o na n dp e r f o r m a n c ec o n t r 0 1 f i r s t l y ，a n a u t o m a t i cm o t o rt e s t i n gs y s t e mi s d e s i g n e d , w h i c hc o m b i n e s a n i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) 、 ，i t l lad a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) b o a r d i p cc o n t r o l s t h et e s t 啦p r o c e s s ，l o g i co p e r a t i o na n ds t a t u sd i s p l a y ；t h ed a qb o a r de x e c u t e st h e c o m m a n d ss e n tf r o mi p c ，a n da c h i e v e sr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ；t h es o r w a r ep a c k a g e i sd e v e l o p e do nt h el a b w i n d o w s c v ip l a t f o r m c o m m o nd i r e c t ( d c ) c u r r e n tm o t o r , s t e p p e rm o t o rc a nb ca u t o m a t i c a l l yt e s t e d 、历t 1 1t h es y s t e m a d o p t i n g t h e s p e c i f i ct e s t i n gm e t h o d s ，t h e b a s i c p a r a m e t e r s ，m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n de f f i c i e n c yo ft h e 13 0 l c 一1 p e r m a n e n tm a g n e td ct o r q u e t a c h o g e n e r a t o ru n i ta r et e s t e d ，a n dt h es y n c h r o n o u sp e r f o r m a n c ec u r v ei sp l o t t e do nt h e i p cs c r e e n i na d d i t i o n , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，f r o mt h ev i e w p o i n to fe n e r g y ，t h i sp a p e rs t u d i e s t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e td ct o r q u em o t o r a n dt h em o t o r m o d e li si d e n t i f i e db y h a r d w a r e i n t h e - l o o p ( h i l ) a l s ot h en o i l l i n e a rf r i c t i o np h e n o m e n o no ft h em o t o ra t l o w - s p e e di so b s e r v e da n da n a l y z e d ，a n dt h ef r i c t i o np a r a m e t e r so fs t r i b c c km o d e li s i d e n t i f i e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rp r o s p e c t st h ef u t u r e 丽mt e c h n o l o g ya n df u n c t i o na c h i e v e m e n t k e yw o r d s ： m o t o rp e r f o r m a n c e ，a u t o m a t i ct e s t ，m o d e li d e n t i f i c a t i o n ， n o n l i n e a rf r i c t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表3 1 表5 1 表目录 1 3 0 l c 1 永磁式直流力矩测速机组技术数据表1 1 z s p 5 6c5 0 0 b z 5 编码器主要技术参数l2 z k t 4 0 1 0 2 4 b c 8 - 3 0 f 编码器技术参数表1 2 c z f 0 6 技术参数1 2 i - i x 9 0 1 技术参数1 3 e s c c h 0 1 信号调理箱主要规格参数13 s f c s a 微型弹性膜片联轴器基本参数13 p c i 6 2 2 1 基本参数。1 3 伏安法测试结果2 3 实验得到的摩擦参数5 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 图目录 1直流力矩电机在武器装备中的应用1 2 上海电机技术研究所电机测试系统3 3 m e a 电机测试系统4 4 电机加速过程测试曲线4 图1 5a e r t b 实物图4 图1 6a e r t b 信号流程图5 图2 1 虚拟仪器的基本构成框图8 图2 2 试验平台结构图10 图2 3电机伺服系统结构原理框图1 0 图2 4 磁粉制动器转矩与励磁电流关系图l l 图2 5 转矩控制原理图1 1 图2 6 线性驱动电路图1 4 图2 7 试验系统主要元器件l5 图2 8 主要零件的三维造型15 图2 9 试验系统装配图1 5 图2 1o 试验系统组装图16 图2 1 1 磁粉制动器加载控制流程图1 7 图2 1 2 电机控制流程图1 7 图2 1 3 测速机输出电压与转速的关系1 8 图2 1 4 采样流程图l8 图2 15 系统主体流程图2 0 图2 1 6 试验系统操作界面2 1 图3 1 伏安法测电阻的电气原理图2 3 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 单臂电桥电气原理图2 3 交流电桥的电气原理图2 4 电机的速度曲线图2 5 转矩变化曲线2 5 传递法测试转矩示意图2 6 电机的力矩曲线2 7 电机的控制电压曲线2 7 电机的电枢电流曲线2 8 图3 1 0 电机工作特性曲线2 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 11 电机的转矩特性曲线2 9 图3 1 2 电机的转速特性曲线3 0 图3 1 3 电机的机械特性曲线3 0 图3 1 4 电机的效率特性曲线3 2 图3 1 5 测速发电机输出电压与转速的关系3 3 图3 1 6 永磁式测速发电机3 3 图3 1 7 直流测速机的输出特性3 4 图3 18 测速机的特性测试3 4 图4 1直流电动机的工作原理图3 6 图4 2电刷间的整流线圈电压和合成电压3 7 图4 3 具有换向器和电刷的直流电机电枢绕组3 7 图4 4 永磁直流力矩电机换向时电枢线圈中的电流波形3 7 图4 5 永磁直流力矩电机的线路示意图3 8 图4 6 永磁直流力矩电机框图4 1 图4 7 永磁直流力矩电机扫频实验结果4 2 图4 8 模型辨识结果4 2 图4 9 电机模型的阶跃响应4 2 图4 1 0 速度闭环方框图4 3 图4 11 校正后的开环b o d e 仿真结果4 3 图4 1 2 电机速度闭环扫频实验4 3 图4 1 3 校正后的闭环b o d e 仿真结果4 4 图5 1 摩擦模型4 6 图5 2s t r i b e c k 摩擦模型。4 6 图5 3电机自动测试系统对正弦激励信号的响应4 8 图5 4 顺时针测试曲线图4 9 图5 5逆时针测试曲线图4 9 图5 6 低频激励时电机转速一电流关系5 l 图5 7 高频激励时电机的电流一转速关系5 1 图5 8 摩擦力滞后效应曲线5 2 图5 9 基于模型的摩擦补偿的基本结构图5 4 图5 1 0 基于观测器的s t d b e c k 模型的前馈补偿模型5 4 图5 1 1 无摩擦补偿的速度仿真结果5 5 图5 1 2 有摩擦补偿的速度仿真结果5 5 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得圈防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确妁说明并表示谢意。 学位论文题目：左垣照狃盈左堂性丝迦试盟壅 学位论文作者签名：纽 日期：7 年 ，z 月 ，日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保馨、使月学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阗；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题西：左壅整扭叠左堂丝丝邋这噩塞 日期：唧每，月匿 日期：炒7 年，硼岁日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和研究意义 电机作为一种进行能量转换或信号变换的电磁机械装置，为控制系统提供可 靠、便捷的驱动源。随着电机在军事、航空、航天【l 】【2 】等自动控制领域日益广泛的 应用，对电机的性能和质量等指标也提出了各种不同的要求。 在武器装备及精密机电控制系统【3 5 l 中，为了实现高精准的控制，需要精确掌 握电机的各种参数，特别需要对其负载能力、时域和频域特性等有较为深入的研 究。教研室在长期的科研、工程实践中认识到，传统伺服系统设计的电机选择基 于静态设计理论，在条件允许的情况下，留有较大的冗余，造成了资源的浪费， 增大了系统的体积和重量。这已经不能满足系统轻量化设计的要求，而且不能保 证所选电机满足控制系统动态性能的要求。从而电机的选择不能仅限于在机械设 计的基础上满足惯量、容量和速度的匹配，而且应该充分考虑控制器的参数和动 态性能指标，使电机与系统的负载达到最优匹配。因此，对所选电机实现快速、 准确地测试，对提高伺服系统的性能具有重要意义。 力矩电机能够和负载直接连接产生较大的转矩，具有低速运行特性稳定、反 应速度快、线性度好等优点，在火炮随动系统【3 】、光电跟踪系统 4 1 等武器装备系统 中广泛应用，如图1 1 所示。但是，由于部分电机生产商在技术条件等方面受到限 制，其产品性能难以满足使用性能指标要求，并且电机的实际参数因为工艺、环 境等因素，同出厂标称参数会有所差别。这些不良因素将直接影响武器装备的战 术指标，从而使得电机性能的精确测试显得尤为重要。 型引一 剑封麓 图1 1 直流力矩电机在武器装备中的应用 电机的性能测试包括电机的工作特性、机械特性、热、声、磁场以及电参数 的测试，误差分析和试验数据处理等。电机试验是对电机进行部分或全部的性能 试验，分为型式试验和检查试验两大类。型式试验是一种全面的性能测试，能够 较准确的得到被测电机的有关性能参数的试验，其目的是为了确定电机的电气和 第l 页 誊一 倡防科学技术大学研究生院硕士学位论文 机械性能是否全面达到技术要求，各种型号电机均需要通过本试验才能投产或继 续生产。检查试验是为了确定电机是否处于电气和机械上的正常工作状态，试验 内容较型式试验大为简化，是电机最基本、最常用的试验【6 】。 电子技术和计算机技术给电机测试提供了许多先进的测试手段，提高了电机 的测试精度和效率。计算机在电机测试中的应用，可以实现性能的自动测试、数 据的快速采集和处理等，改变了人工读数、记录、分析的传统测试方法，为电机 测试技术的发展带来了重要变革。 1 2 电机测试技术的研究现状 1 2 1 电机测试技术的发展简介 传统的电机性能测试主要由人工完成，通过指针式仪表由人工读数、记录、 整理并描绘特性曲线或编写实验报告。由于某些不确定因素如电源电压波动、频 率波动、负载波动等会引起仪表的指针摆动，为了能比较准确的读出某一瞬间的 各项被测参数，往往需要几个人同时读表，工作效率低。并且，由于读数的不同 时性以及读数、记录、计算中的各种人为误差等，实验数据分散性大，实验结果 的准确度低，重复性差。 各种电子测量仪表为提高测量精度应运而生，例如利用转矩转速测试仪可以 测量电机在各种状况下的转矩、转速、输出功率等。这类设备测量精度高，采用 数字显示，功能比较完备，提高了自动化程度，但依然没有很好的解决数据处理、 实验过程中的读数同步等问题。 随着信息传感技术、自动化技术以及材料科学的发展，新技术、新理论、新 材料得到了广泛应用，电机测试也进入了一个崭新的发展时期，在测试精度、测 量功能等各项指标上都远远超过了传统的实验方法。以计算机为主体的电机自动 测试系统具有以下特点： 1 能自动控制被测电机的起、停和采集测试数据，自动进行数据处理及参数 计算，以及打印实验报表，绘制特性曲线等。 2 实验过程可控制。通过改变程序就可以改变型式实验中各项目的实验，可 根据不同的实验要求进行各项研究性实验。 3 测量精度高，可重复性好。采用各种高精度的数字仪表、传感器等可保证 各参数的高精度测量。 4 能自动进行故障检测及诊断，声光报警或在计算机屏幕显示故障原因，并 采取适当的保护措施。 5 工作可靠，操作简便。为了保证系统工作可靠，在系统中采取有效的隔离、 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 抗干扰等措施【6 1 。 1 - 2 2 电机测试技术的国内外发展现状 目前国内的一些科研机构，如上海电器科学研究所、上海电机技术研究所、 天津正大电子研究所、广州电器科学研究所等在电机自动测试方面走在全国的前 列，较早、较好的实现了自动化程度高、安全、可靠的自动测试系统的开发。其 研制的电机型式试验测试系统，由计算机和各种变换器及测量仪器组成，可完成 实验项目的数据处理、表格输出和曲线绘制等【7 】。 图1 2 为上海电机技术研究所研制开发的电机测试系统。系统主要由测功机控 制器、输出输入显示、微机系统控制软件、模拟量接口及测功机组成。可以任意 改变被试电机的负载，测量出电机在空载、各负载点及堵转状态下的电机电压、 电流、输入功率、转矩、转速、输出功率、及效率。测试数据用计算机显示，可 自动绘制动态曲线、生成测试报告、进行合格判定、存储测试结果和数据，测试 结果可以文件形式保存，不同的电机特性曲线可在同一界面内进行分析比较，并 可对电机进行带负载温升实验，并由计算机直接控制被试电机运行方式。 卜j 一 图1 2 上海电机技术研究所电机测试系统 国外微电机行业现在基本上都采用计算机控制的自动测试系统。最著名的生 产企业有美国的m a g t r o l 公司，日本管源、横河和国际计测器公司等。另外，国外 也有全虚拟仪器的电机测试系统，设有显示仪，控制器和功率仪，用软件代替大 部分硬件，实现计算机全虚拟化测试。现在，对于大多数电机产品，国外已采用 1 0 0 试验的原则，国内通行的在制造环节的末端采用随机抽样试验的模式已不被 允许。试验的范围也不断扩大，除了性能试验外，还要进行其他试验，如安全试 验、噪音试验、振动试验等。因为诸如机械损伤、齿轮缺陷、轴承振动和磨损等， 在电气性能试验中不能被检测出来，但它要产生噪声。这里介绍一种以色列m e a 公司研制的电动机特性测试系统，如图1 3 示。该系统除了可进行扭矩、转速、功 率、效率、频率等基本测试外，还可进行摩擦扭矩测试、转速扭矩频谱分析、转 速扭矩振荡分析等测试内容。测试结果以曲线形式显示，数据存入数据库以供分 析使用，图1 4 所示为该系统对同批三个不同电机的加速过程的测试结果。m e a 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电机测试系统充分运用电机学和力学的基本规律，测试过程中无需外部加载，结 构简单，可靠性高，检测时间短，是一种全新的微电机检测设备【8 1 。 三。j 兽”l 星”fr 1 ， ：ii 宴一b ，。72 - - 1一一三二 斗黟。一- _ ，j 。苗 ，：。，。二 图1 3m e a 电机测试系统图1 4 电机加速过程测试曲线 目前，国外许多高校、科研单位也对电机的性能测试，尤其在电机的自动测 试系统方面投入了大量精力。例如美国德克萨斯州立大学( t h eu n i v e r s i t yo f t e x a s ) ， 荷兰的特文特大学( u n i v e r s i t yo ft w e n t e ) 等，他们建立的电机测试系统、电机试验 模型等有很高的科研价值和参考价值 9 1 。图1 5 、图1 6 分别是德克萨斯州立大学 的r o b o t i c sr e s e a r c hg r o u p 建立的a c t u a t o re n d u r a n c ea n dr e l i a b i l i t yt e s tb e d ( a e r t b ) 的实物图和信号流程图。a e r t b 充分利用现代测试手段，采用众多传 感器获取测试信息。a e r t b 的显著特点是在测试过程中对电机各部分的温度进行 实时测量和调节，保证测试环境的一致性，可以有效抑制实验过程中的温度影响， 提高测量精度【l 0 | 。 。一 遴 l 誓 。|k 翻l 箩 霜 1 ， 诵阁 镬t 遁 蔓鏊 _ 瞳，：；麓 一+ 、： _ l 蕊瀛一 _ 算 1 。 一1 日一，j 、； ：涌晦翁滋熬酗啊蠹睡缓拳 纛一 豳湖 i | 、i 霸 r 壁 _ o _ _ - _ “z 一 一一 # j 豢缓k 一。蓄罄豳酒阏蹙鬻麓毋辩掰7 何 i r 一囊翟一7 i 函t 、嚼一匦一 1 ，王叠i 阼l 1一、飞 _ 一一 _ = ，一 飘r一一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 翌竺1l 丽融& i 苎婴熙生j 赫茹面酬 - 一- j r t - - r 【 i |一仑厂、一仑一 i l 飞稍 i1k i c u r lw i t 1 一拯同嘲 v o l m o e o o m删 c u 晶t 0 d r l l ln 删 j。jl l 鲨陋孚 l 。h ， t n 产 r h ，n k 一 i i a y s 唧i o h 9 0i u “q w ， i 图1 6a e r t b 信号流程图 电机测试技术不断进步的同时，测试方法的研究也越来越受到人们的重视。 刘洋在文献【1l 】中重点探讨了电机转矩、转速测试方法的研究，并且根据稀土永磁 电机的特点，进一步探索了动态微分法和直接传感器法测量稀土永磁电机起动过 程的瞬态转矩、转速变化关系，由计算机来实现电机转矩一转速曲线的绘制，并 且对测试结果进行了理论分析。 h e r m a nj v a nd es t a e t e ，p a s c a ld e g e z e l l e ，s h i l p aa v a z e 等人从动力学的角度 分析了伺服系统中电机的运行特性，并从系统的负载特性中分离出电机的固有特 性进行建模与试验研究，针对不同的电机类型和机电耦合系统，提出了一系列电 机的选择和评价标准。实验证明运用这些标准可以明显降低工程设计过程中电机 的选择时间，特别是针对交流电机的选择【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 陈暾在文献 1 5 】中较系统地介绍了小波分析理论，提出了利用正交小波包变换 进行时频分析，直接从小波包分解系数中提取电机电枢电流中高频量变化规律的 方法，实现了一种无转矩转速传感器电机的快速测试方法，系统地研究了基于多 分辨分析的离散正交小波变换和小波包变换的快速算法及编程实现。并深入探讨 了小波分析在电机测试领域的其他应用，包括小波去噪和小波滤波等。研制开发 的测试系统不仅有较快的测试速度，而且可以达到一定的精度，特别适应于不适 合安装转矩转速等非电量传感器和需要快速测量的场所。 由文献【1 6 】、【1 7 、【1 8 、【1 9 知，当前国内外对电机性能的测试主要集中在转 矩、转速等机械特性方面，并且电机类型主要是针对大功率的力矩、交流电机， 且技术条件比较成熟，并已经成功开发了相关测试系统，但对于面向伺服控制系 统的中小功率、高精度的伺服电机性能测试的研究相对较少。 结合前文的分析可以看出，电机测试的内容主要集中在以下几个方面【2 0 】： 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 电机参数的测定，包括转动惯量和时问常数的测定，电机绕组电感、电抗 的测定，电机稳定和瞬态参数的测定等。 2 电量的测量，包括电压、电流、电功率、功率因数和频率等。 3 非电量的测量，主要是指转速、转矩、温度、磁场、振动和噪声等。 4 电机的工作性能测试，主要指电气性能和机械性能的测试。 总之，测试技术的不断发展使得电机的性能测试更为容易实现，让实验者能 够更快捷、更精确、更丰富的获取测试信息，如电机伺服系统的非线性摩擦测试， 转速转矩的频谱分析等。本文立足教研室已有的技术条件，结合有效的设计方法， 成功完成了一套能对电机进行快速、自动测试的系统。 1 3 论文的主要研究内容 本文结合机电伺服系统设计的实际需要，借鉴国内外电机自动测试系统研究 的成功经验，对电机动力学特性测试实验平台的硬件、软件系统进行了规划与设 计；并利用试验平台对永磁直流力矩电机的特性进行了实验测试与分析；并对被 测电机的工作原理、非线性摩擦现象等进行了较为深入的研究。目的是希望能够 通过这些检验来全面或部分的反映被测电机的相关性能数据，可以对伺服系统的 电机选型提供参考，以降低伺服系统的设计周期，提高系统的可靠性。 论文的主要内容有： 第一章绪论介绍了课题的背景与研究意义，以及国内外在电机自动测试系统 方面的研究现状，并对本课题的主要内容作了简述。 第二章基于虚拟仪器技术的电动机测试系统结合电机性能测试的要求，对系 统进行了总体方案设计，分别从硬件系统和软件设计两个方面详细介绍了系统的 组成和工作原理，并运用l a b w i n d o w s c v i 开发环境，成功完成了软硬结合的电机 测试系统，为后续工作的展开提供了实验平台。 第三章电机性能测试与分析，结合具体的测试方法对被测电机的基本参数和 工作性能进行了在线测量，并针对具体的特性表现作了较为深入的讨论和分析。 第四章永磁直流力矩电机的能量分析与模型研究从能量的角度出发，分析了 永磁直流力矩电机的工作原理和运动特性，并运用半实物仿真技术对实验系统的 永磁直流力矩电机进行了实验测试和仿真。 第五章电机系统的非线性摩擦研究介绍了摩擦的特征和相关模型，实验测试 了摩擦参数，验证和分析了摩擦等非线性干扰力矩对永磁直流力矩电机动态特性 的影响，并结合电机结构和补偿控制方面，提出了若干抑制或消除摩擦的措施。 结论和展望对本论文的工作进行了总体概括，并对将来进一步的工作进行了 展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器技术的电机自动测试系统设计 电机的性能测试对伺服系统的设计具有重要意义，本章将就如何设计完成一 个基于虚拟仪器技术的、能够满足小功率直流伺服电机的特性研究及进行电机伺 服系统在高精度指标要求下实验研究的电机自动测试系统试验平台的设计展开讨 论。 本章将分别从硬件和软件两个方面介绍电机自动测试系统的方案设计，并对 系统工作原理进行简单分析。 2 1 虚拟仪器技术简介 对电机的动力学性能进行测试，关键是要能够对相关信息进行数据采集、分 析和表达。虚拟仪器技术可以通过软件构建功能不同的各种测量仪器，实现数据 分析和表达，缩短设计周期，提高系统设计的灵活性。 2 1 1 虚拟仪器的概念与发展 虚拟仪器c c i m a ii n s t r u m e n t ，简称v d 是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重 要应用，它是现代计算机技术( 硬件、软件和总线技术) 和仪器技术深层次结合 的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它是计算机技术介入 仪器领域所形成的一种新型仪器，它能够利用计算机强大的图形环境，结合相应 的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面板，通过友好的图形 界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对被测量的采集、分 析、判断、显示、存储及数据生成的仪器。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t 简称n i ) 在2 0 世纪8 0 年代中期，首先 提出了“软件就是仪器 ( t h es o i t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 这一虚拟仪器概念。虚拟 仪器从概念提出到目前技术发展已日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革 命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又是同步 进行的。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立，计 算机与外界通信成为可能，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入 式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。 第三阶段，虚拟仪器框架得到广泛认同和采用。许多行业标准在软、硬件领 域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为标准工具【2 i 】。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 2 虚拟仪器的主要特点 虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点，其根本原因在于虚拟仪器的关键 是软件。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点： 1 虚拟仪器可以通过在不同的分面板上的操作来实现比较复杂的功能，突破 了传统仪器的单面板限制。 2 虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源，具有很强的数据处理、存储和分析 能力。 3 硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 4 仪器的功能可以根据用户需要由软件自行定义，而不是由厂家事先定义 的，增强了系统的灵活性。 5 仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪 器，节省了物质资源。 6 研制周期较传统仪器大为缩短。 7 虚拟仪器是基于计算机的开放式标准体系结构，可与计算机同步发展，与 网络及其周边设备互联。 2 1 3 虚拟仪器的构成 从虚拟仪器外部结构来看，虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三部分 组成。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起合称为虚拟仪器的通用仪器 硬件平台，是应用软件的基础；应用软件则赋予系统以特定的功能。图2 1 为典型 的虚拟仪器系统的基本框图。 1 信号调理h 数据采集卡卜斗 叫o p - b 接口仪器卜一g p m 接口卡卜， p c 工作站 被 - i 申行接口仪m p l cl - l a b w i n d o w s 测 信 等软件开发i 平台 号 v x i 模块 现场总线设备 其他计算机硬件 图2 i虚拟仪器的基本构成框图 其中，虚拟仪器的硬件构成主要有以下五种：数据采集( d a q ) 系统、g p i b 系 统、v x i 系统、串口系统、现场总线系统。而虚拟仪器的软件主要由两部分组成， 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 即应用程序和i o 接口仪器驱动程序。 虚拟仪器技术的核心思想是：利用计算机的硬件、软件资源，使本来需要硬 件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度的降低系统成本，增强系统的功 能与灵活性 2 2 1 。 2 2 硬件设计 电机自动测试系统试验平台硬件部分其主要由光学平台机械本体、磁粉制动 器、扭矩传感器、电气控制箱、永磁直流力矩电机及驱动器、编码器、直流稳压 电源、e s c c h 0 1 信号调理电气箱、工业控制计算机组成。 根据该电机动力学性能测试系统的设计目标与要求，试验系统应具备如下基 本功能： 1 对机构的要求： 1 ) 系统负载转矩可控、可观测； 2 ) 系统负载惯量可控、可观测； 3 ) 具备良好的对称性和美观，合理设计安装各种传感器件及电缆接口； 4 ) 必须具备很好的开放性，电机类型可调换； 5 ) 考虑加工工艺、成本和装配工艺，达到系统要求的精度； 2 对测试系统的要求： 1 ) 电机电枢的电流、电压、功率等可测试； 2 ) 轴前轴后角位移、角速度、力矩等可测试； 3 ) 数据测试、处理可视化、自动化： 3 控制系统： 1 ) 能够对负载转矩进行在线、离线连续控制调整，并可模拟各种周期、 非周期、冲击等环境、工况干扰力矩( 调整范围0 - 6 n m ) ； 2 ) 能够对负载惯量进行人工离线调整。 2 2 1 试验系统硬件平台结构 电机自动测试系统要求能够对被测电机的运行模型进行选择控制，并根据不 同的试验要求通过磁粉制动器对试验系统施加不同的负载，同时可以在线读取、 记录和显示电机运行的各种参数，如转速、扭矩、电枢电流、电压等。试验平台 上共有二个子模块，一是实验电机伺服控制模块；一个是负载转矩一磁粉制动器 控制模块。总体结构图如图2 2 所示。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 2 试验平台结构图 下面分别就两个模块的实现进行说明。 2 211 电机伺服控制模块 电机伺服控制模块是本试验平台的基础，该模块由工控机、电机驱动器( 线 性功率放大器1 ) 、被测电机、编码器等各种传感器等构成，如图2 3 所示。 7 ir 抒 l 一 v ， 、，_ 蝴。 图2 3电机伺服系统结构原理框图 光电编码器信号由标准电缆直接与运动控制系统的编码器输入接口相联接， 可构建系统速度环、位置环，或直接开环。 扭矩传感器经f i 转换模块，将频率信号转换为电压信号，由e s c c h 0 1 信号 调理箱隔离放大，通过标准电缆与数据采集系统的a d 采集接口相联接，可以测 量传动链的负载转矩，进行力矩研究。 2 2 1 2 磁粉制动器控制模块 根据磁粉制动器输出力矩大小与励磁电流成近似的正比关系( 如图2 4 所示) ， 由控制计算机、控制模块( 线性功率放大器2 ) 和磁粉制动器可构成一个开环转矩 控制系统，原理框图如图2 5 所示。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 转 矩 。 图2 4 磁粉制动器转矩与励磁电流关系图 控制计算机通过d a 通道与磁粉制动器控制模块的控制接口相连，制动器控 制模块将电压信号转换为磁粉制动器所需的肚1 a 电流信号，进而控制磁粉制动器 输出力矩。 2 2 2 设备选型与设计 图2 5 转矩控制原理图 根据测试系统的设计要求，保证能够准确的获取电流、电压、转速、转矩等 测试信息，安全、快速的实现测试目标，系统设备在选择和设计过程中充分考虑 了测试精度、强弱电隔离等诸多因素。系统主要设备的选型或设计介绍如下。 1 电机 测试电机选用北京微电机厂生产的1 3 0 l c 1 永磁式直流力矩测速机组，详细 信息如表2 1 所示l z 3 j 。 表2 11 3 0 l c 1 永磁式直流力矩测速机组技术数据表 力矩电机测速机 电枢转 峰值堵转连续堵转电磁 动惯量 力矩 电流 电压力矩电流电压 时间 斜率 最大 常数 、l转速k g z n 2 n mavn ma vr m i n 1r m i n 1 0 5 m s 3 4 33 1 34 81 8 8 81 5 22 3 33o 14 0 02 5 4 8 2 角位移传感器 在机电一体化产品中常见的角位移传感器有圆光栅、编码器、旋转变压器、 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电位计等。其中，编码器分为增量式和绝对式两种类型，增量式编码器具有结构 简单、价格较低、精度易于保证等优点，是目前应用最多的角位移传感器。 本实验系统中，轴前编码器选用无锡瑞普电子有限公司的z s p 5 6c5 0 0 b z 5 型增量式编码器，主要技术参数如表2 2 所示1 2 引。 表2 2z s p 5 - 6 c 5 0 0 b z 5 编码器主要技术参数 电压v响应频率h z 输出脉冲数p r使用温度o c 50 1 0 0 k5 0 02 5 1 0 0 轴后编码器选用长春第一光学有限公司产品的z k t - 4 0 1 0 2 4 b c 8 3 0 f 空心轴 编码器，技术参数如表2 3 所示【2 5 1 。 表2 3 z k t - 4 0 10 2 4 b - c s - 3 0 f 编码器技术参数表 电源输出脉响应最大机 轴最大负载n 转动 允许角 电压冲数频率械转数 惯量 加速度 v p r k h zr m i n 径向 轴向姆j ，1 2 r a d s 2 8 3 01 0 2 40 1 0 03 0 0 04 04 01 1 0 41 1 0 4 3 加载设备 电机测试系统中常用的加载方式有摩擦测功机加载、扭板弹簧加载、惯性圆 盘加载、电力测功机加载等。磁粉制动器属于电力测功机加载，它根据电磁原