电动加载系统多余力特性分析

1、电动加载系统多余力特性分析2007年6月第35卷第6期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSJun.2007VoI|35No.6电动加载系统多余力特性分析马志伟,杜经民,余祖耀,李宝仁(华中科技大学FESTO气动中心,武汉430074)摘要:给出了一种电动加载系统的模型,通过把承载系统的角速度作为加载系统的干扰,研究了加载系统多余力的特性,主要分析了加速度和系统刚度对多余力的影响.通过仿真分析了多余力对系统幅频特性的影响,结果表明合理设计系统转动惯量和刚度可抑制多余力.关键词:电动加载;多余力;角加速度;刚度.中图分类号:TP271+.4文献标识码:A文章编号:1001

2、3881(2007)61883AnalysisofPlusTorqueCharacteristicsofElectricLoadingSystemMAZhiwei.DUJingmin,YUZuyao.LIBaoren(FESTOPneumaticCenter,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Basedonthemodelofakindofelectricloading.regardingtheanglespeedofloadcarryingsystemastheinterferencefor

3、theloadingsystem,thecharacteristicofplustorquewasresearched,theeffectofangleaccelerationandsystemrigidityonplustorquewasanalyzed.Theeffectofplustorquetothesystemcharacteristicsoffrequencyandamplitudewasanalyzedbysimulation,resuitsshowthattheplustorquecouldberestrainedbyrationalchoiceofrigidityandmom

4、entofinertia.Keywords:Electricloading;Plustorque;Angleacceleration;Rigidity0前言电动加载系统作为某操舵系统的测试,仿真设备,能够在实验室环境下,考核舵机在近似实际载荷作用下的动态工作情况.电动加载系统选用直驱电机作为加载设备的核心元件,它在成本和控制等方面比电液加载系统具有更大的优势;但是作为被动式力矩控制系统,加载系统存在着由于被加载系统的主动运动引起的多余力,多余力的混入不仅会影响加载系统的精度而且会影响它的带宽和稳定性.本文基于一种电动伺服负载模型,分析了电动加载系统中承载侧角速度以及加载系统刚度对多余力的影响.

5、1电动加载系统结构电动加载系统的系统结构框图如图1所示,加载系统通过联轴器与操舵系统同轴联结.电动加载系统主要由电机伺服控制系统,直驱电机,传感器以及工控机构成.图1电动加载系统结构框图2负载模拟器模型加载系统选用永磁式同步电机作为主要加载元件,考虑到电动机模型是一个高阶,非线性,强耦合的多变量数学模型,并且模型的分析和求解都非常困难,通常采用坐标变换的方法进行改造,对电机模型进行d,q,0变换以后的数学模型如下:U:(R+L),+E(1)其中:U:T,:ii【同步电机在d,q轴上的转矩和运动方程为:p,d:t,+4o+Tt(2)式中:,i,Uq,i分别为d轴和q轴绕组电压,电流;R为定子相电

6、阻;L为等效绕组电感;P为磁极对数;J为转子和负载的总转动惯量;Tt为负载转矩;为电磁转矩;为转子电角速度;0为转子位置角度;为粘滞摩擦系数;,为永磁体基波励磁场链过定子绕组的磁链;为电动势常数(=,).由公式(2)可知加载系统的实际加载力矩由3部分组成:加载系统的实际力矩输出;由承载系统角速度产生的力矩;由承载系统角加速度产生的力矩部分.考虑到永磁式同步电机d轴电感和q轴电感相等,且采用d轴等效绕组电流零控制方式.由于采用直接驱动粘滞摩擦系数非常小,则电机模型可以简化为:Uq:Ri口+Li口+,:p,d:+根据上述模型,可得永磁同步电机的结构框图如图2所示.加载系统中机械连接环节,轴系的连接

7、刚度(3)(4)l图2永磁同步电机的结构框图第6期马志伟等:电动加载系统多余力特性分析?189?=,当弹性滞后比较小的时候,可视为常数,力矩传递公式可以表示为=脚.0,为轴系转角.由此可得电动加载系统的动态结构框图如图3所示,其中为电流反馈系数;GArr为力矩调节器的传递函数;G脚为速度调节器的传递函数.图3电动加载系统的动态结构框图坌堑时:图4加载系统等效结构框图速度作为干扰输入一一进行分析,加载系统等效结构框图如图4所示.其中:G=():日(s)=1+flKrK+p,Ao/GAsrS根据多余力的定义,当加载系统输入力矩T(S)=0的时候,由承载侧的速度干扰引起的力矩即为多余力.由结构框图得

8、出多余力对承载系统速度干扰的传递函数为:T(s)K(s)(s)一1+K(s)G(s)H(s)(5)3.1承载侧角速度对多余力的影响电动加载系统的多余力与承载侧的角速度干扰以及加载系统的惯量的引入有关.在实际中,不存在电机转子和传动轴引入的惯量,但在加载系统中这是无法避免的.加载时,由角速度干扰引起的多余力为日,由角加速度引起的多余力为Ja,.由于采用直接驱动方式,减少了中间减速等环节的干扰,而且系统的粘滞系数很小,所以在本系统中由承载侧角速度引起的多余力矩可以忽略.这时ja,是多余力的主要组成部分,在加载系统中,系统转动惯量是已知的,并且不随时间变化;而承载侧角速度是时变的,并且变化越快,产生

9、的多余力矩越大.3.2系统刚度对多余力的影响对公式(5)进行变形得:一一:+G(s)H(s)袁,+(6)从式(6)可知,加载系统的刚度对由承载系统角速度引起的多余力有很大影响.由于采用直接驱动方式,当系统刚度比较大时,系统不存在弹性环节,加载系统能够快速跟踪承载侧转角指令变化,加载系统受承载侧运动产生的多余力的幅值有所减小.但是,电机轴上输出的任何力矩脉动,比如:磁阻效应,齿槽效应,高次谐波脉动都会直接影响输出力矩.当加载系统的刚度比较低时,操舵系统与加载系统之间存在弹性环节,弹性环节在加载力矩的作用下产生弹性变形,使多余力矩幅值衰减,相位滞后,起到缓冲的作用,对多余力有一定的衰减作用.同时,

10、弹性环节的变形使得加载通道变复杂,加载力矩幅值衰减,相位滞后,不能完全跟踪承载侧转角指令,使得角度测量产生滞后.3.3加载系统惯量对多余力的影响加载系统的惯量包括电机的惯量以及连接环节的惯量.由公式(4)可知,加载系统的惯量越小,多余力就会越小,同时系统的响应速度会变快.反之,加载系统的惯量会放大速度的影响,并且使得响应速度变慢,稳定性变差.4多余力仿真研究基于建立的数学模型,用Simulink对系统进行仿真.本系统中的参数如下:=0.05V/A,P=3,=I,J=ION?m,=0.35Wb.系统的速度调节器和力矩调节器按工程设计方法进行参数整定:上,ns月(s)=k(r+1)/rs=G(s)

11、:kr(r+1)/r图5为无速度干扰引入时,系统对阶跃信号的响应,图6为把承载侧的速度作为加载系统干扰时,得2?5菖主1,5豪10.5000.511.522.533.54时间,s图5无速度干扰时阶跃响应置ZR一.冬毒:,hIi_-lli-,_,_图6有速度干扰时阶跃响应机床与液压第35卷出的加载系统对阶跃信号的响应曲线.从,图6中可以看到明显的力矩波动.慕仿真时,当选用随机信号Random(20)和20sintot作为干扰的时候,产生的多余力如图7所示.虽然信号幅值相同,但是随机信号产生的多余力的变化率比较大.肇对多余力进行频域分析得出幅频特性如图8所示,从图可知,多余力不仅使得系统的幅值特性

12、变差,而且在可用频率0.5o.40.3o.2o,lo.o.1一o,2.o.3.o.4.0.5鞲瓣莹=三=:o0.5l1.522,533.54时间,s图7不同速度变化率对多余力的影响250200l50l0050O.70.360一i嚣_糍i到厂可丽可曩嚣T墨彳L=出i:_蓝0I10.l0.10.l010频率/(rad?s)图8多余力幅频特性范围内,对系统的相位也是具有破坏性影响.5结论(1)电动加载系统中的多余力主要由承载系统的运动引起,是被动加载系统所固有的,无法完全消除,加速度对多余力的影响最大.设计电动加载系统时,应该尽量对承载系统的速度进行补偿.另外,加载系统的机械结

13、构要设计合理,减少中间环节以抑制速度对多余力的影响.(2)加载系统的刚度对多余力的影响是双向的:一方面会对多余力起到缓冲作用,减少对加载的影响;另一方面又降低了系统的频宽和响应.(3)系统的转动惯量也是影响多余力的主要因素之一,在设计中应尽量减少系统的转动惯量,以保证系统快速响应,并且起到衰减多余力的作用.参考文献【1】符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统M.机械工业出版社,1997.【2】郝经佳,赵克定,许宏光.刚度,惯性负载对电液负载仿真台性能影响的研究J.中国机械工程,2002(6).【3】陈伯时.电力拖动自动控制系统M.机械工业出版社,1992,【4】KatsuhikoOgata.Mo

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