基于電動系統(tǒng)的機械負(fù)載動力學(xué)模擬控制

李宗帥，王修巖，喬 輝

(中國民航大學(xué)，天津300300)

0 引 言

電動機是現(xiàn)代工業(yè)、國防等行業(yè)中非常重要的執(zhí)行機構(gòu)，它在實際應(yīng)用中所承擔(dān)的機械負(fù)載具有復(fù)雜化、多樣化的特點。隨著科技不斷的進步，一方面對于生產(chǎn)過程的控制要求越來越高，電動機所承載的機械負(fù)載越來越復(fù)雜，對其進行高精度的控制，需要采用先進的控制策略，然而采用現(xiàn)場試驗的方法研究控制算法是不現(xiàn)實的，危險性和成本都比較高，采用純理論仿真研究，又難免會脫離真實的物理實際;另一方面，對電動機的性能要求越來越高，需要有對電動機進行測試的設(shè)備。因此，我們需要一種能夠?qū)嶋H應(yīng)用中機械負(fù)載進行模擬的系統(tǒng)，用于滿足離線控制算法研究和電動機性能測試的設(shè)備，電動負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠滿足以上兩個方面的要求。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者在基于電動系統(tǒng)的負(fù)載模擬控制和應(yīng)用方面做了大量的研究工作。文獻［1］中電動負(fù)載模擬系統(tǒng)是由兩臺同軸相連的電機構(gòu)成，一套為被測電機，另一套為負(fù)載模擬電機，通過對負(fù)載模擬電動機進行控制，使其為被測電機提供各種實際應(yīng)用中的機械負(fù)載。文獻［2－4］也是基于電動系統(tǒng)的負(fù)載模擬裝置，提出了能夠模擬機械負(fù)載動態(tài)性能的負(fù)載模擬電動機控制算法，實驗和仿真結(jié)果均證明該控制算法是有效的。文獻［5］采用兩臺電機同軸相連的方式，建構(gòu)二自由度機器人手臂的非線性負(fù)載模擬的半實物仿真系統(tǒng)。文獻［6］給出了一套測試電梯曳引電動機的系統(tǒng)，驅(qū)動電機為曳引電動機，采用一套直流電機來模擬電梯曳引電動機的負(fù)載。文獻［7］提出采用電動負(fù)載模擬系統(tǒng)用來模擬風(fēng)力機風(fēng)輪的動態(tài)特性，用于幫助設(shè)計和測試實際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。文獻［8］介紹了用于測試潛艇驅(qū)動電機的負(fù)載模擬系統(tǒng)，它以一臺直流發(fā)電機為負(fù)載模擬電機，模擬潛艦負(fù)載。

目前大多數(shù)應(yīng)用到實際系統(tǒng)之中的多局限于機械負(fù)載的靜態(tài)模擬，對于動態(tài)模擬還不多。并且模擬的負(fù)載多是線性負(fù)載的靜態(tài)模擬，對于非線性的研究還有待深入。本文就基于電動系統(tǒng)的線性和非線性機械負(fù)載的動力學(xué)模擬進行研究。

1 負(fù)載模擬系統(tǒng)的模型

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，驅(qū)動電機和負(fù)載模擬電機同軸連接，其中驅(qū)動電機是三相交流電機，加載電機為一臺可以四象限運行的直流電機。通過對模擬電機進行控制，使其為驅(qū)動電機提供負(fù)載，完成對驅(qū)動電機的測試或者驅(qū)動電機伺服控制算法的研究。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由于驅(qū)動電機采用三相異步電機，為了取得良好的伺服控制效果，對其采用矢量控制，得出驅(qū)動電機控制數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)交流電機帶動直流電機運動時，系統(tǒng)動力學(xué)方程如下:

式中:Jd為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動慣量;Jl為負(fù)載模擬電機轉(zhuǎn)動慣量;Je為編碼器的轉(zhuǎn)動慣量;Bd為驅(qū)動電機的粘性摩擦系數(shù);Bl為負(fù)載模擬電機的粘性摩擦系數(shù)。一般情況下，編碼器的轉(zhuǎn)動慣量遠小于電機的轉(zhuǎn)動慣量，可忽略不計。因此可得系統(tǒng)逆動力學(xué)模型的傳遞函數(shù):

2 負(fù)載模擬電機控制算法

文獻［1］指出實際系統(tǒng)中的很多機械負(fù)載，它們的阻力矩與其轉(zhuǎn)速之間存在一固定的關(guān)系，可以用下式來表示:

式中:a為恒定的轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;B為粘性摩擦系數(shù);b和c分別為速度平方和速度三次方的系數(shù)。

通過控制負(fù)載模擬電機使其模擬機械負(fù)載，則要求驅(qū)動電機驅(qū)動負(fù)載模擬電機的響應(yīng)，應(yīng)該等同于驅(qū)動電機驅(qū)動真實的機械負(fù)載一致，因此可得負(fù)載模擬電機的參考轉(zhuǎn)矩，如下:

對于負(fù)載模擬電機的控制，目前多數(shù)采用如圖2所示的直接控制方法。

圖2 負(fù)載電機直接控制方法

這種控制方法的特點是簡單，但是精度較差。文獻［1］提出了一種負(fù)載模擬電機轉(zhuǎn)矩反饋的控制策略，通過轉(zhuǎn)矩傳感器測出軸上的轉(zhuǎn)矩，這種方法能夠提高測量精度和控制精度，該方法的結(jié)構(gòu)如圖3所示，本文采用該種控制算法。

圖3 帶轉(zhuǎn)矩反饋的控制算法

3 仿真研究

交流電機的參數(shù):定子電阻0.435 Ω，電感2 mH，互感70 mH，轉(zhuǎn)子電阻 0.816 Ω，電感 2 mH，轉(zhuǎn)動慣量0.089 kg·m2，粘性摩擦系數(shù)0.005 N·m·s。直流電機參數(shù):轉(zhuǎn)動慣量0.05 kg·m2，粘性摩擦系數(shù)為0.01 N·m·s，電樞電阻 0.78 Ω，電樞電感0.016 H。

3.1 線性負(fù)載模擬實驗

從仿真實驗曲線可見，驅(qū)動電機的定子電流波形是正弦波，諧波較小，控制效果理想;電機的實際速度能夠跟蹤給定速度的變化;負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩的變化同速度的變化趨勢基本一致，控制效果理想，實現(xiàn)了對于線性負(fù)載的模擬。

3.2 非線性負(fù)載模擬實驗

從圖5仿真實驗曲線可見，對于非線性負(fù)載，驅(qū)動電機的定子電流波形也是正弦波，控制效果理想;電機的實際速度能夠跟蹤給定速度的變化，在1 s時，通過降低轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的動態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電機和負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩都能夠按照預(yù)期的規(guī)律變化;負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩的變化同速度的變化趨勢基本一致，控制效果理想，實現(xiàn)了對于非線性負(fù)載的模擬。

4 結(jié) 語

本文針對基于電動系統(tǒng)的機械負(fù)載模擬控制研究問題，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，采用帶轉(zhuǎn)矩反饋的控制算法進行控制研究。分別對線性機械負(fù)載和非線性機械負(fù)載進行仿真實驗，從仿真結(jié)果可以看出，所采用的控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)對于線性和非線性機械負(fù)載的模擬，具有較好的魯棒性。

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