電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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摘要:直線電動(dòng)機(jī)作為應(yīng)用廣泛的零傳動(dòng)特種電機(jī)，在制造加工、軌道交通、光學(xué)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域有著重要的地位。針對(duì)本科實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材成本、安全性問(wèn)題及時(shí)間、場(chǎng)地的限制，設(shè)計(jì)基于虛擬仿真技術(shù)的直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的PC工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、直線電動(dòng)機(jī)(動(dòng)子、定子)、測(cè)力環(huán)、測(cè)力傳感器及其他輔助零部件用圖形的方式表達(dá)出來(lái)，并完成參數(shù)設(shè)置、模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)物演示等步驟，使學(xué)生了解直線電動(dòng)機(jī)工作原理、動(dòng)作過(guò)程及推力特性。這種虛、實(shí)結(jié)合的方式已成功應(yīng)用兩年，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、自主操作、直線電動(dòng)機(jī)模擬過(guò)程中起到了重要作用。

關(guān)鍵詞:直線電動(dòng)機(jī);虛擬仿真;推力測(cè)試;參數(shù)設(shè)置

引言

機(jī)電傳動(dòng)控制是機(jī)械工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在前修課程物理、電工電子、控制工程等基礎(chǔ)上，講授具有工程實(shí)際應(yīng)用功能的電氣傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用。課程內(nèi)容主要包括電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)等，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、性能是課程課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，其中直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的零傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)［1］，具有定位精度高、靈敏度高、安全可靠、零維護(hù)等特點(diǎn)，完全替代了“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的運(yùn)動(dòng)形式，除此以外，在生物醫(yī)學(xué)、物流運(yùn)輸、機(jī)械工程、航空航天等方面正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［2］是指“利用計(jì)算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)造的能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備并能實(shí)現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)功能的虛擬平臺(tái)”。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有很多高等院校和大型科研院所都建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本思想也是基于WilliamWolf教授［3］提出的“從虛擬設(shè)備至物理設(shè)備的過(guò)程”，被用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，被形容成為“一個(gè)無(wú)墻的中心”。針對(duì)機(jī)電、醫(yī)學(xué)、橋梁、塑性成形等類(lèi)型本科課程典型實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)高等院校建設(shè)了各種形式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬儀器等技術(shù)，建立開(kāi)放型的課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，徹底打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、空間和資源上的限制，為學(xué)生提供高質(zhì)量的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境［4-8］。

1虛擬仿真平臺(tái)下直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理與特點(diǎn)

直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理［9］如圖1所示。系統(tǒng)由PC工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、直線電動(dòng)機(jī)(動(dòng)子、定子)、測(cè)力環(huán)、測(cè)力傳感器及其他輔助零部件組成。其中:PC工控機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間采用RS-232通信接口，通過(guò)端子連接，ELMO(Tuba系列)驅(qū)動(dòng)器的COM1的TX、RX、COMMRET分別與PC計(jì)算機(jī)的RS-232接口的RXD、TXD、GND連接;驅(qū)動(dòng)器的M1、M2、M3、PE分別與直線電動(dòng)機(jī)的U、V、W、GND連接;光柵尺的A+、A－、B+、B－分別與驅(qū)動(dòng)器FEEDBACKA接口的6、5、15、14、連接，驅(qū)動(dòng)器的3、4分別與光柵尺上的DGND、VDD連接;驅(qū)動(dòng)器自身的輔助直流電源為24V，動(dòng)力電源用單相AC220V。該實(shí)驗(yàn)具有其他虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［10-17］的特點(diǎn):預(yù)約實(shí)驗(yàn)課程———自動(dòng)生成課表、理論測(cè)試———查漏補(bǔ)缺、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)———搭建電路、智能糾錯(cuò)———指出電路錯(cuò)誤、不受場(chǎng)地、設(shè)備及耗材的限制、安全系數(shù)高等，除此以外，直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)還具有自己的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn):學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上熟悉直線電動(dòng)機(jī)的工作原理及運(yùn)行特征;熟悉直線電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置及其驅(qū)動(dòng)器、控制器的操作方法及使用，動(dòng)手操作直線電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、光柵尺之間的接線，直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試裝置模型和實(shí)物如圖2、3所示;測(cè)試直線電動(dòng)機(jī)的電磁推力。

2直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

進(jìn)入圖3、4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，完全實(shí)行學(xué)生自主操作，包括電氣控制線路連接、線型選擇、參數(shù)設(shè)定等，學(xué)生在不同的參數(shù)運(yùn)行時(shí)會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。利用ELMO驅(qū)動(dòng)器提供的Composer對(duì)電機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)選用直線光柵尺的輸出信號(hào)為EIA-422-A差模信號(hào)，需轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)控制器可以接收處理的離散數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。在圖5、6所示的參數(shù)設(shè)置中選擇無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)(LinerBrushless)，持續(xù)電流為3A，機(jī)械速度選為1．2m/s。在主反饋中選擇增量式編碼器(Encoder)，數(shù)字光柵尺的分辨率為0．5μm，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器的4倍頻后的每米脈沖為500000個(gè)。直線電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。使用測(cè)力環(huán)作為測(cè)試元件，在直線電動(dòng)機(jī)額定載荷處預(yù)加載3次，然后將測(cè)力環(huán)的大指針歸零，測(cè)力傳感器的數(shù)據(jù)由數(shù)顯表(2000標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測(cè)量?jī)x)顯示，單位格式為mV/V。直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，分別在不同電流值時(shí)讀取測(cè)力環(huán)和數(shù)顯表數(shù)據(jù)，通電時(shí)間不宜超過(guò)20s，以防止直線電動(dòng)機(jī)繞組的溫升過(guò)快。數(shù)據(jù)讀數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)輸出推力結(jié)果得到測(cè)力環(huán)與壓力傳感器輸出推力關(guān)系如圖7所示，2曲線分別說(shuō)明繞組電流有效值和輸出推力的相關(guān)性，并可據(jù)此求出直線電動(dòng)機(jī)的推力常數(shù)。

3學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作項(xiàng)目

基于虛擬仿真技術(shù)的直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)按照實(shí)驗(yàn)預(yù)約、課表生成、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、題目問(wèn)答、成績(jī)?cè)u(píng)定的順序完成。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之前學(xué)生在預(yù)習(xí)試題庫(kù)中抽取5道試題進(jìn)行解答，預(yù)習(xí)內(nèi)容為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及后續(xù)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)做知識(shí)準(zhǔn)備;實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)按照說(shuō)明書(shū)指示完成電氣線路的連接，包括電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間、驅(qū)動(dòng)器與PC機(jī)之間等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)擺放、電腦主機(jī)面板上按鈕等位置與實(shí)際設(shè)備完全一致。再運(yùn)用語(yǔ)音、動(dòng)畫(huà)、視頻等進(jìn)行人機(jī)互動(dòng);學(xué)生在系統(tǒng)中提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括類(lèi)似表1所示的靜態(tài)推力測(cè)試結(jié)果和電機(jī)的推力特性曲線，最后教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)評(píng)審實(shí)驗(yàn)報(bào)告，給定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

4結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)限制，在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，豐富了實(shí)踐教學(xué)的形式和內(nèi)容，并給本科學(xué)生提供了創(chuàng)新的空間。虛擬仿真平臺(tái)下直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)本著“虛、實(shí)結(jié)合、以實(shí)為主”的原則開(kāi)設(shè)，具有以下的優(yōu)點(diǎn):學(xué)生操作安全性高，不受工業(yè)常用的AC220V、380V直線電動(dòng)機(jī)供電電壓的制約;經(jīng)濟(jì)性高，一般中等推力的直線電動(dòng)機(jī)價(jià)格較貴，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在較低成本下完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生們對(duì)技術(shù)理論知識(shí)有更深刻理解，并在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置的演示實(shí)驗(yàn);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的智能糾錯(cuò)功能，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)輸入的參數(shù)有誤時(shí)自動(dòng)糾錯(cuò)，并提示修改成正確的數(shù)值，還可得到不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)曲線，掌握直線電動(dòng)機(jī)的推力特性，完全體現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性、靈活性優(yōu)勢(shì)。

作者：于立娟 張學(xué)成 陳曉波 熊宇翔 王昕 單位：吉林大學(xué)