专利名称：同步/协调控制器性能测试平台的制作方法
技术领域：
本实用新型属于伺服电机性能测试技术领域，具体涉及一种伺服电机同 步/协调性能测试平台，用于对多电机同步/协调控制器的性能测试。
技术背景随着近年来工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高， 单单针对一台电机的控制在某些场合己经不能满足现代高科技发展的要求， 而需要人们去控制多台电机，让其更好地协调运行。多电机同步/协调控制以 应用于航空器的对接，智能化雷达群、火炮群等的协调控制，柔性机械，高 性能的数控技术，机器人控制。另外，高性能的协调控制还可以提高纺织、 冶金、机械、造纸等行业产品的质量和成品率。总之，多电机协调控制将为 军事、航空、 一般工业技术领域提供动态定位的理论和方法及需要统一动作 功能的多电机协调控制技术。然而在应用中，由于多电机同步/协调控制程序复杂性较高，使得控制器在 开发中需要反复调试，才能最终实现预期的控制功能。但是在控制器的开发 过程中，现场试验是很难得的，成本也是非常高的。并且一般情况下，不宜 直接将控制器安装在实际的系统中进行测试，因为首次实现的控制器会有许 多诸如软件、硬件方面的缺陷，如果直接将其集成在系统中， 一方面不便于 对控制器的初期调试，另一方面，控制器的严重缺陷还会导致系统的损坏， 造成不必要的损失。传统的试验平台，主要针对单台伺服电机驱动器的控制 特性进行系统测试，尚未涉及多伺服电机同步/协调性能的测试问题。因此， 无法模拟多电机的实际运行环境，进行伺服电机同步/协调控制系统的各种测 试，降低了多电机协调控制器的开发效率，并增加了伺服电机同步/协调控制 系统进行实车试验的风险及成本。实用新型内容本实用新型的目的是针对现有多电机同步/协调控制系统开发过程中测试 难度较大的特点，提供了一种伺服电机同步/协调控制器性能测试平台，通过 在载荷模拟实验台架上安装不同数量的惯量盘和运行中施加可调的摩擦力 矩，可以模拟实际运行中伺服电机的惯性负载和摩擦负载；在电机输出轴上 安装扭矩传感器和高精度编码器，利用数据采集卡，将上述信号送入工业控 制计算机内的实时采样监测软件，以监测单轴及多轴伺服系统的动静态性能， 从而对伺服电机同步/协调控制器的控制品质做出评价。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本测试平台主要 包括有多个结构相同、轴平行布置的实验台架和工业控制计算机；每个实验台架包括有伺服电机1、磁粉制动器IO、惯量盘9、扭矩传感 器6、旋转编码器2和N个平行布置的载荷模拟轴；其中，伺服电机l的输 出轴上安装有旋转编码器2，伺服电机1输出轴同时还通过第一同步齿型带3 将动力传递给一级主轴4， 一级主轴4通过联轴器5安装有扭矩传感器6， 一 级主轴4输出的动力通过第二同步齿型带7传递给二级主轴8， 二级主轴8上 安装有尺寸相同的M个惯量盘9，数量M可以根据需要进行调整；二级主轴 8的输出端安装有摩擦可调的磁粉制动器10; —级主轴4与二级主轴8平行 布置；每个实验台架上的扭矩传感器6和磁粉制动器10的输出信号通过数据采 集卡送入工业控制计算机内；每个实验台架上的旋转编码器2的输出信号通过脉冲细分卡送入工业控 制计算机内。测试时，先将伺服电机同步/协调控制器分别与本实用新型中的伺服电机 相连，根据测试要求，启动工业控制计算机内的实时采样监测软件，并启动 待测伺服电机同步/协调控制器，此时就可以在控制程序中进行各种运动方式 的调整，观察监测程序中各类参数的变化过程，并通过实时监测系统记录测试过程中产生的各种信号数据，从而对多电机同步/协调控制系统的特性进行 测试了。本实用新型能够简化控制器的开发过程，降低多电机同步/协调控制系统 的硬件成本和软件设计工作量，使用中具有很高的灵活性。将本实用新型应 用到实际的伺服电机同步/协调控制器开发与测试过程中后，有以下显著的优点a) 降低了控制器软硬件开发的难度，縮短了控制器软硬件的开发周期，提 高了控制器软硬件的性能。在一定程度上解决了不能频繁进行现场试验的问 题。b) 降低了现场试验的难度，提高了现场试验的效率与安全性，节约了现场 试验的成本，降低了现场试验的风险。c) 平台具有通用性，可以根据需要进行不同的仿真测试，具有广泛的应用 前景。
图1载荷模拟轴的机械结构示意图图2同步/协调控制器性能测试平台的框图图中1、伺服电机，2、旋转编码器，3、第一同步齿型带，4、 一级主轴， 5、联轴器，6、扭矩传感器，7、第二同步齿形带，8、 二级主轴，9、惯量盘， 10、磁粉制动器。
具体实施方式
下面结合图l、图2对本实用新型作进一步说明 一种两轴的同步性能测试系统。载荷模拟实验台架的单轴机械结构采用图1所示的多级传动形式，逐级安装有伺服电机l，角度编码器2，扭矩传感器6，惯量盘组9和磁粉制动器 10等，上述多级传动形式的实验台架结构紧凑、便于操作，为实现多电机性 能的测试，两轴之间采用平行对称，可方便进行系统的扩展。载荷模拟实验台架上将2组相同的载荷模拟轴平行对称布置，且每轴均 采用同步齿形带进行多级传动，如图1所示。伺服电机1的输出轴上安装有旋转编码器2，同时通过第一同步齿型带3将动力传递给一级主轴4，其上通 过联轴器5安装有扭矩传感器6;而后输出动力通过第二同步齿型带7将动力 传递给二级主轴8，其上安装有尺寸相同的M个惯量盘9，数量M可以根据 需要进行调整。二级主轴8的输出端为摩擦可调的磁粉制动器10。 一级主轴 与二级主轴平行布置。上述结构兼顾了安装的简便性、可维护性及可扩展性 的特点。实验中，可以通过安装不同数量的惯量盘和施加可调的摩擦力矩， 来模拟实际运行中伺服电机的惯性负载和摩擦负载；伺服电机1输出轴上还 安装有与工业控制计算机相连的扭矩传感器6和高精度编码器2，用于扭矩和 位置信号的采集，其中编码器2采用正弦信号输出可以高倍细分的增量式光 电编码器，己获得高精度的位置及速度(通过位置信号差分获得)信号；扭 矩传感器6采用脉冲频率输出型扭矩传感器，防止电气噪声对测量结果的影 响。在本系统中，动态转矩加载通过改变负载盘转动惯量实现。在负载基轴 上加装卡盘9，其中基轴直径0=60，转动惯量J二0.0064kg'm2，质量m44 kg，可以加装1 4负载盘来模拟实际运行中的惯性负载。静态转矩的加载， 通过采用日本三菱公司的磁粉制动器10来实现，其转矩模拟范围为0 25Nm。 磁粉制动器安装在传动链的末端，其输出转矩随励磁电流的变化而变化，通 过改变励磁电流便可在较大范围内控制转矩，且不受转速影响。伺服电机1输出轴上的位置信号和扭矩信号被接入脉冲细分卡11和数据 采集卡12，送入工业控制计算机中，其中数据采集卡主要完成频率信号的采 集及磁粉制动器的控制，因此需要选择一款具有多路高速计数口和模拟量输 出口的数据采集板卡12，脉冲细分卡ll选择具有高倍细分功能的接口卡，通 过对编码器输出信号进行电子倍频以获得更高的位置测量精度，从而为同步/ 协调控制器的控制特性分析提供最佳原始判断数据。本实施例中的转矩传感器6采用北京三晶的JN338-A100，该传感器采用 两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，能够测量稳 态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩；输出信号以频率形式给出，信噪比 高，工作寿命长。本系统中选用的编码器2是由HEIDENHAIN公司生产的增 量式光电编码器ERN480，正弦波频率为2048/转。选用的数据采集卡12的型号为NI6221，可支持16路singie-ended或8 路Differential模拟信号输人，具有两路模拟输出，更新速率833ks/s， 24路数 字输入/数字输出(8路高速可达lMHz)和2个32位80MHz计数器/定时器， 完全满足转矩测量和磁粉制动器的控制需求。为了对编码器输出信号进行电 子倍频以获得更高的精度，选择IK220计数卡11，它具有双通道44位计数功 能，可以通过板卡内的硬件定时实现双通道的同步釆样，最高输入频率为 500KHz，并且可以将增量编码器的正弦输入信号细分至4096倍。实时监测软件13为工业控制计算机内编写的专用测试软件，可采集位置、 速度、转矩等系统的运行状态信号，并保证多路数据的同步性。测试软件首 先需要对采集到的信号进行处理，如频率信号的数字化滤波，编码器信号的 波形校正等，并通过硬件同步及软件定时等措施，保证多路数据信号的同步 性；然后对位置数据进行处理获得速度信号，并将速度数据及原始位置、扭 矩数据作为数据记录文件保存。测试软件还具备显示功能，可以实时显示各 轴的运行状态；具备报警功能，当系统出现故障或接收到传感器发来的报警 后能根据指令报警并中止程序运行；支持数据回放功能，可以保存海量历史 数据，方便控制系统特性的分析。实时采样监测软件13以NI公司提供的LabVIEW作为虚拟仪器的开发 平台。LabVIEW除了具备其它语言所提供的常规函数功能外，还集成了大量 的生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析、数字信号处理功能，以及多 种硬件设备驱动功能。本采样监测软件主要完成以下功能① 有效地采集典系统的运行状态信号，包括位置、速度、转矩，并保证数 据的可靠性；② 对采集到的信号进行滤波，波形校正等处理，并通过硬件同步及软件定时等措施，保证多路数据信号的同步性，提取信号特征量；③ 将处理后的数据或原始数据作为数据记录文件保存；④ 具备丰富的显示功能，用于显示系统的运行状态和辅助报警的功能；⑤ 具备报警功能，当系统出现故障或接收到传感器发来的报警后能根据指令报警并中止程序运行；⑥ 支持数据回放，可以保存海量历史数据，方便控制系统特性的分析。； 通过与伺服电机同步/协调控制器相配合，上述系统可以完成以下3种测试。1. 静态同步误差测试——通过电机同步/协调控制系统使两台电机定位停 止于任意位置，测量两台电机的位置误差。2. 运行状态误差测试——通过电机同步/协调控制系统使两台电机在不同 转速，不同传动比的状态下测量和记录连续过程的误差变化情况，最终 计算出最大瞬态误差，平均误差、累计误差等参数。3. 转速平稳性测试——通过电机同步/协调控制系统给定多种转速，使两 台电机匀速运行，通过处理测得的位置数据获得电机的速度变化数据， 并由此获得速度变化的周期和振幅。从以上所述的测试实例中可以看到，本测试平台可以模拟实际运行环境， 较低成本地、便捷地、快速地实现对伺服电机同步/协调控制系统的各种测试， 不但提高了控制器得开发效率，降低开发成本，也完善了控制器进行现场运 行前的必要测试过程，降低了伺服电机同步/协调控制系统进行现场试验的风 险及成本。
权利要求1、同步/协调控制器性能测试平台，其特征在于包括有多个结构相同、轴平行布置的实验台架和工业控制计算机；每个实验台架包括有伺服电机(1)、磁粉制动器(10)、惯量盘(9)、扭矩传感器(6)、旋转编码器(2)和N个平行布置的载荷模拟轴；其中，伺服电机(1)的输出轴上安装有旋转编码器(2)，伺服电机输出轴同时还通过第一同步齿型带(3)将动力传递给一级主轴(4)，一级主轴(4)通过联轴器(5)安装有扭矩传感器(6)；一级主轴(4)输出的动力通过第二同步齿型带(7)传递给二级主轴(8)，二级主轴(8)上安装有尺寸相同的M个惯量盘(9)；二级主轴(8)的输出端安装有摩擦可调的磁粉制动器(10)；一级主轴(4)与二级主轴(8)平行布置；每个实验台架上的扭矩传感器(6)和磁粉制动器(10)的输出信号通过数据采集卡(12)送入工业控制计算机内；每个实验台架上的旋转编码器(2)的输出信号通过脉冲细分卡(13)送入工业控制计算机内。
专利摘要本实用新型属于伺服电机性能测试技术领域，具体涉及一种同步/协调控制器性能测试平台。该系统包括有载荷模拟实验台架，用于电机、制动器及惯量盘的安装调整，以便通过在电机输出轴端施加可调转动惯量负载和摩擦力矩来模拟实际运行中的伺服载荷情况。实验台架上配置有扭矩传感器和编码器，通过数据采集卡和脉冲细分卡可以将扭矩及位置信息送入工业控制计算机中；工业控制计算机可以测试不同运行条件下的系统动静态性能指标。本测试系统的优势在于可以模拟实际运行环境，较低成本地、便捷地、快速地实现对伺服电机同步/协调控制系统的各种测试，不但提高了控制器的开发效率，降低开发成本，也完善了控制器现场运行前的必要测试过程。
文档编号G01R31/34GK201107393SQ200720173279
公开日2008年8月27日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者晶 崔, 楠 张, 张慧慧, 杨建武, 汪亮宝, 王智泉 申请人:北京工业大学