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电动负载工作原理
添加时间:2017-12-08

  一般整个系统由加载电机(加载执行机构)、联轴器(机械连接部件)、扭矩传感器(力矩检测)、PWM驱动器、加载控制器和上位机等部分组成,系统还可以有位置传感器装置。整体分为加载系统和承载对象(舵机系统)两部分,加载系统包括:加载控制器、加载执行机构(加载电机及减速元件)以及检测元件(扭矩传感器和位置传感器)等。这里需要强调的一点是:图1中驱动器B对舵机的作用可以不受控制器件控制,它可以是独立于负载模拟器系统的。系统的核心部件为加载控制器(DSP)。

  图1:ELS结构示意图

ELS结构示意图

  ELS是对舵机进行加载的器件,它不能脱离舵机而独立存在,其和舵机一同构成了完整的电动加载系统,两者在机械结构上通过联轴器直接相连。在动态的加载过程中,整个系统的承载对象(舵机)做独立于加载系统的主动运动,而加载东莞电机运动的位置变化受舵机运动的影响,联轴器上输出扭矩是主动的,通常我们把这种加载方式叫做被动式力伺服加载。ELS系统工作原理是:加载控制器(DSP)接收上位机发出的加载指令信号,并且和光电编码器(位置传感器)、扭矩传感器采集的相应位置和力矩信号,经过信号采样调理电路在控制器外围硬件电路中进行信号处理,采用预先设置的控制算法对给定加载力矩信号和采集的反馈数据(实际加载力矩)进行分析计算,输出加载指令到电机驱动装置(PWM驱动器)对执行机构(力矩电机)进行加载。在这里每一个时刻系统控制信号都要经过控制器事先设置的控制算法进行优化,系统最终实现的功能是:上位机给定的期望输出力矩与实际加载力矩保持一致。而光电编码器和扭矩传感器的反馈位置信号和力矩信号输入伺服控制器,为计算下一时刻加载力矩信号提供反馈信息。ELS系统工作原理如图6所示。

  图2:ELS工作原理图

ELS工作原理图

  ELS是典型的被动式力矩伺服系统,其加载执行机构在模拟器系统中起着关键性作用,对负载模拟器系统的研究首先就要考虑选择合适的加载电机,这样对于简化系统的机械结构、体积、成本、性能都有着极其重要的影响。并且加载执行机构(加载电机)性能的好坏、电机参数的选择将直接影响整个ELS系统的精度以及其对舵机的加载力矩水平。结合论文前面的部分分析,系统需要一种低转速、大转矩、可以长时间工作在堵转情况下的加载电机,另一方面需要考虑的重要因素是加载系统的控制精度,系统需要高精度、快速响应、操作控制简单的加载电机。

  在半实物仿真的领域,电动负载模拟器的广泛应用,对其加载执行机构的选型研究也是多方面的。下面文章将分几个方面来探讨各种加载电机的利与弊来最终确定用到的加载电机,东莞电机厂针对目前实际应用分析,绝大多数模拟器中的加载电机采用的是现有的直流或是交流伺服电机,这是因为某些类型的伺服电机能实现速度和位置的高精度控制。

  对于直流伺服电机,有其许多优势符合加载系统的功能要求,例如:直流伺服电机具有大转矩、低转速的特点,这些特点能符合加载要求,但是直流伺服电机机械结构上的弊端是不能忽视的,其机械机构复杂,控制不便,机械换向器和电刷给系统的选型带来困难,这其中不可忽视的便是换向器在转动时会产生火花,换向器和电刷之间在转动时产生摩擦,这些影响着电机的阻力矩,工作中伺服电机阻力矩逐渐变大,这样就直接导致采用一般直流电机作为加载执行机构的系统,控制精度不能满足设计要求。那么在这里首要任务就是需要找到一种新的伺服加载电机克服一般直流伺服电机的缺点用以满足本设计的要求。

  随着科技的发展,尤其是近些年的电力电子器件、传感器技术、以及新型的永磁材料的发展,这些都给交流伺服电机的发展应用带来希望。交流伺服电机机械结构简单、性能稳定,另外交流伺服电机还具有调速宽、响应速度快、机械体积小等优势,并且克服了直流电机在工作时换向器与电刷之间产生火花与摩擦问题。可以看出交流伺服电机的应用前景会越来越广泛。

  综合上述的分析,避免伺服电机的缺点,结合本论文加载系统所要求达到的加载功能,选择一种大力矩、低转速的直流电机,关键是能够长期处于堵转的工作环境下长时间工作而不会损坏电机。在这里直流力矩电机能够长期工作在堵转的工作场合,并且其速度与转矩被动变化小,不需要辅助的减速器机械结构来拖动负载,可以带负载低速工作,其机械特性线性度好,特别适合于在电动负载模拟器这种被动式伺服系统环境下工作,完全能胜任执行对舵机力矩加载的工作。因此本论文最终确定采用直流力矩东莞电机作为负载模拟器系统的加载执行部件。

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