本實用新型涉及一種永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置，屬于機電控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于永磁同步電機具有高功率密度、高效率、高可靠性及結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點，它可以滿足高性能系統(tǒng)要求，如快速動態(tài)響應(yīng)、寬調(diào)速范圍和高功率因數(shù)等，因此被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)機器人、數(shù)控機床、航空航天等熱門領(lǐng)域。高性能交流伺服系統(tǒng)不僅要求系統(tǒng)能對伺服指令做出快速響應(yīng)，而且要求當(dāng)外部出現(xiàn)擾動或負載對象特征變化時也能保證系統(tǒng)具有良好的魯棒性，這就要求伺服系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和控制器參數(shù)能夠隨負載特性作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

伺服系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量的變化對系統(tǒng)影響很大，直接關(guān)系到伺服系統(tǒng)的運行性能。對不同的轉(zhuǎn)動慣量，需要對伺服控制器參數(shù)以及和系統(tǒng)運行相關(guān)的一些參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，若能讓系統(tǒng)本身具有識別轉(zhuǎn)動慣量并據(jù)識別結(jié)果對系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)進行自動調(diào)整和優(yōu)化的功能，這將對交流伺服系統(tǒng)性能的提高具有非常重要的意義。另外，在永磁交流調(diào)速系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)速度環(huán)的動靜態(tài)特性會隨著負載轉(zhuǎn)矩的改變而變化，負載轉(zhuǎn)矩的變化往往會導(dǎo)致伺服電機轉(zhuǎn)速的波動產(chǎn)生，使得轉(zhuǎn)速產(chǎn)生振蕩，無法滿足高精度伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。

因此，在永磁交流伺服系統(tǒng)中，需要對負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量進行辨識。在對轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)矩進行辨識時，需要在伺服平臺上改變轉(zhuǎn)矩和慣量來驗證算法的正確性。傳統(tǒng)的方法或是通過電機連接磁粉制動器，單一實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)矩的突變；或是通過電機連接磁粉離合器，單一實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量突變；再或是通過電機同時連接磁粉離合器和制動器，雖能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和慣量的改變，但僅能實現(xiàn)突變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對傳統(tǒng)技術(shù)中不合理的地方，為解決以上問題，做了結(jié)構(gòu)和功能上的改進。本實用新型不僅可以實現(xiàn)永磁交流伺服系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩的突變，同時還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的突變和多方式漸變。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：

一種永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置，包括：永磁同步電機、磁粉制動器、磁粉離合器和慣量盤；所述的永磁同步電機連接第一減速機，第一減速機輸出軸一端接磁粉制動器，另一端接磁粉離合器，磁粉離合器通過軸與第二減速機連接；

所述的慣量盤設(shè)置在支撐板上，慣量盤包括轉(zhuǎn)盤、第三減速機、小電機、模組和滑塊，支撐板通過立柱支撐，轉(zhuǎn)盤設(shè)置在支撐板上，第二減速機通過推力球軸承與轉(zhuǎn)盤連接；轉(zhuǎn)盤上設(shè)置有連接法蘭，小電機通過第三減速機與連接法蘭連接，連接法蘭側(cè)面設(shè)置有模組，模組上設(shè)置滑塊。

所述的模組設(shè)置兩個，兩個模組對稱設(shè)置。

所述的推力球軸承為雙向推力球軸承。

所述的第一減速機輸出軸通過聯(lián)軸器與磁粉離合器連接，聯(lián)軸器為剛性聯(lián)軸器。

所述的磁粉制動器安裝在擋板上，第一減速機安裝在減速機固定板上，擋板、減速機固定板、磁粉離合器、立柱和第二減速機均固定在底座上。

所述的磁粉制動器、第一減速機、磁粉離合器和第二減速機同軸設(shè)置。

一種基于所述的永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置的控制方法，包括轉(zhuǎn)矩突變、慣量突變和慣量漸變?nèi)N工作模式；

轉(zhuǎn)矩突變工作模式是通過永磁同步電機來控制磁粉制動器，當(dāng)磁粉制動器中的勵磁線圈中有電流通過時，激磁電流與傳遞轉(zhuǎn)矩呈正比例線性關(guān)系，通過控制磁粉制動器中激磁電流的大小實現(xiàn)對負載轉(zhuǎn)矩的控制，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的突變；

慣量突變工作模式是通過磁粉離合器的脫離和結(jié)合來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動慣量盤的控制，當(dāng)磁粉離合器處于脫離狀態(tài)時，離合器輸出軸不連接負載，電機和離合器處于同步工作狀態(tài)，通過控制磁粉離合器脫離和結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的突變；

慣量漸變工作模式是當(dāng)磁粉離合器處于結(jié)合狀態(tài)時，其輸出軸接第二減速機傳遞慣量，第二減速機的輸出端接慣量盤，轉(zhuǎn)動慣量盤在水平面內(nèi)做轉(zhuǎn)動，模組內(nèi)滑塊做直線移動和水平轉(zhuǎn)動，通過移動慣量盤內(nèi)滑塊，改變慣量盤的質(zhì)量分布，改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，實現(xiàn)系統(tǒng)慣量多方式漸變。

慣量多方式漸變的實施步驟為：

通過轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量的關(guān)系以及平行移軸原理，得到慣量盤的轉(zhuǎn)動慣量關(guān)系式：

J(M)＝J₁+J_m； (1)

其中，J₁為小電機、第三減速機、轉(zhuǎn)盤的慣量之和；J_m為滑塊的轉(zhuǎn)動慣量，是滑塊位置與質(zhì)量的函數(shù)；永磁同步電機、第一減速器和第二減速機、磁粉離合器、聯(lián)軸器及其他部分的轉(zhuǎn)動慣量為固定值，記為J₂；

則伺服系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量J就是慣量盤的轉(zhuǎn)動慣量J(M)和其他轉(zhuǎn)動慣量J₂的疊加，即：

J＝J_m+J₁+J₂； (2)通過改變滑塊的位置改變慣量盤的質(zhì)量分布，從而改變滑塊的轉(zhuǎn)動慣量J_m，達到改變系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量J的目的。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點：

本實用新型為保證轉(zhuǎn)矩突變和慣量可變的可靠性，采用了減速機來進行負載轉(zhuǎn)矩的傳遞，將永磁同步電機與磁粉制動器、磁粉離合器，電機與慣量盤連接起來。為了永磁交流伺服系統(tǒng)功能多樣性的要求，將磁粉離合器和磁粉制動器融合到同一個裝置中，通過控制磁粉制動器中的激磁電流來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的突變，通過控制磁粉離合器的脫離和結(jié)合，又可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的突變和漸變。不僅可以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩的突變，同時還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的突變和多方式漸變。通過控制磁粉制動器的激磁電流來控制永磁同步電機輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的突變；通過控制磁粉離合器的脫離和結(jié)合實現(xiàn)慣量的突變；通過控制慣量盤內(nèi)滑塊的位置，改變慣量盤的質(zhì)量分布，實現(xiàn)慣量的多方式漸變。本實用新型克服了傳統(tǒng)伺服特性測試裝置體積大、結(jié)構(gòu)冗雜、功能單一且測試精度差的缺點，并且將負載轉(zhuǎn)矩突變和轉(zhuǎn)動慣量可變功能融于同一個裝置中，具有結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，功能多樣，測試精度高，調(diào)試和維護方便的特點，為負載轉(zhuǎn)矩辨識和轉(zhuǎn)動慣量辨識算法的驗證提供了有效的手段。

進一步，本實用新型還設(shè)計了雙模組結(jié)構(gòu)，加入了推力球軸承和剛性聯(lián)軸器等裝置，保證了控制系統(tǒng)的可靠性和運行的穩(wěn)定性。為保證永磁交流伺服裝置的控制精度和運行的穩(wěn)定性，慣量盤采用雙模組對稱的方式；為增加慣量裝置運行的穩(wěn)定性，在中間板和慣量盤之間安置雙向推力球軸承。

進一步，為了使裝置能夠補償由于伺服系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的相對位移。本實用新型采用了重量輕、慣性低而且靈敏度極高的剛性聯(lián)軸器。

本實用新型控制方法可以在三種模式下工作：通過控制磁粉制動器的激磁電流來控制永磁同步電機輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的突變；通過控制磁粉離合器的脫離和結(jié)合實現(xiàn)慣量的突變；通過控制慣量盤內(nèi)滑塊的位置，改變慣量盤的質(zhì)量分布，實現(xiàn)慣量的多方式漸變。

【附圖說明】

圖1是本實用新型的永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置整體三維圖；

圖2是本實用新型的永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置慣量盤結(jié)構(gòu)圖。

圖中，1-磁粉制動器；2-擋板；3-減速機固定板；4-第一減速機；5-聯(lián)軸器；6-磁粉離合器；7-螺母；8-底座；9-螺柱；10-立柱；11-第二減速機；12-支撐板；13-推力球軸承；14-模組；15-轉(zhuǎn)盤；16-滑塊；17-連接法蘭；18-第三減速機；19-小電機；20-永磁同步電機。

【具體實施方式】

為更進一步闡述本實用新型所采用的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細的說明。該實施方式僅適用于說明和解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型保護范圍的限定。

如圖1所示，本實用新型的一種永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置，其結(jié)構(gòu)包括永磁同步電機20、減速機、磁粉制動器1、磁粉離合器6、聯(lián)軸器5、推力球軸承13、小電機19、模組14和滑塊16等結(jié)構(gòu)，通過永磁同步電機20來控制磁粉制動器1，當(dāng)磁粉制動器1中有激磁電流通過時，由于激磁電流與傳遞轉(zhuǎn)矩呈正比例線性關(guān)系，通過控制磁粉制動器1中的激磁電流的大小實現(xiàn)對負載轉(zhuǎn)矩的控制；通過磁粉離合器6實現(xiàn)對慣量盤的控制，當(dāng)磁粉離合器6處于結(jié)合狀態(tài)的時候，其輸出軸接減速器傳遞轉(zhuǎn)矩，慣量盤在水平面內(nèi)做轉(zhuǎn)動，模組14內(nèi)滑塊16做直線移動和水平轉(zhuǎn)動，改變慣量盤的轉(zhuǎn)動慣量是通過移動慣量盤內(nèi)滑塊16，從而改變慣量盤的質(zhì)量分布，起到多方式改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的目的。

先給出本實用新型一種實施例的具體實施方式：

如圖1和圖2所示，永磁同步電機20接固定在底座8上的第一減速機4，第一減速機4輸出軸一端接磁粉制動器1，另一端接磁粉離合器6。支撐板12通過立柱10固定在底座8上，支撐板12下方設(shè)置有第二減速機11，磁粉離合器6連接第二減速機11；支撐板12上設(shè)置有轉(zhuǎn)盤15，第二減速機11與轉(zhuǎn)盤15連接；轉(zhuǎn)盤15通過推力球軸承13與支撐板12連接。轉(zhuǎn)盤15上設(shè)置有連接法蘭17，連接法蘭17上設(shè)置有小電機19，小電機19連接第三減速機18，連接法蘭17兩側(cè)設(shè)置有模組14，模組14上設(shè)置有滑塊16，小電機19驅(qū)動滑塊16在模組14上作直線運動。

當(dāng)磁粉離合器6輸出端不連接負載，即處于脫離狀態(tài)時，控制磁粉制動器1有激磁電流的通過，由于磁粉制動器1內(nèi)激磁電流與傳遞的轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，只要改變激磁電流的大小，就可以在較大范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩的大小，因此通過改變磁粉制動器1中激磁電流的大小就可以實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)矩的突變。

通過磁粉離合器6的脫離和結(jié)合來實現(xiàn)對慣量盤轉(zhuǎn)動的控制，當(dāng)磁粉制動器1處于脫離狀態(tài)即沒有激磁電流經(jīng)過時，磁粉離合器6輸出軸不連接負載，永磁同步電機20和磁粉離合器6處于同步工作狀態(tài)。通過控制磁粉離合器6的激磁電流來控制電機軸和磁粉離合器6的脫離和接合，實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的突變。

當(dāng)磁粉離合器6處于結(jié)合狀態(tài)的時候，其輸出軸接第二減速機11傳遞轉(zhuǎn)矩，第二減速機11的輸出端接慣量盤，轉(zhuǎn)動慣量盤在水平面內(nèi)做轉(zhuǎn)動，模組14內(nèi)滑塊16做直線移動和水平轉(zhuǎn)動，因此改變慣量盤的轉(zhuǎn)動慣量是通過移動慣量盤內(nèi)滑塊16，從而改變慣量盤的質(zhì)量分布，起到改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的目的，實現(xiàn)了永磁交流伺服系統(tǒng)慣量多方式漸變的特點。慣量漸變的實施步驟為：

通過轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量的關(guān)系以及平行移軸原理推導(dǎo)出慣量盤轉(zhuǎn)動慣量與滑塊16質(zhì)量的關(guān)系：

J(M)＝J₁+J_m； (1)

其中J₁為小電機19、減速機、轉(zhuǎn)盤15(包括固定裝置和連接裝置)的慣量之和，J_m為滑塊16的轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量的關(guān)系。永磁同步電機20、減速器、磁粉離合器6、聯(lián)軸器5等其他部分的轉(zhuǎn)動慣量為固定值，記為J₂；所以，伺服系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量J就是慣量盤的轉(zhuǎn)動慣量J(M)和其他轉(zhuǎn)動慣量J₂的疊加。即：

J＝J_m+J₁+J₂ (2)

綜上所述，本實用新型所涉及到的永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置的控制方法，既可以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的突變，同時又可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的突變和多方式漸變。通過控制磁粉制動器1的激磁電流來控制永磁同步電機20輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的突變；通過控制磁粉離合器6的脫離和結(jié)合實現(xiàn)慣量的突變；通過控制慣量盤內(nèi)滑塊16的位置，改變慣量盤的質(zhì)量分布，實現(xiàn)慣量的多方式漸變。

相較于傳統(tǒng)方法，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，體積小，功能多樣，測試精度高，調(diào)試和維護方便的特點。本實用新型將負載轉(zhuǎn)矩突變和轉(zhuǎn)矩慣量可變功能融于同一裝置中，為負載轉(zhuǎn)矩辨識和轉(zhuǎn)動慣量辨識算法的驗證提供了有效的手段。

本實用新型還設(shè)計了雙模組14對稱結(jié)構(gòu)、加入了雙向推力球軸承13和剛性聯(lián)軸器5，這大大增加了永磁交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量雙可變裝置的可靠性和運行的穩(wěn)定性。

上述內(nèi)容結(jié)合附圖對本實用新型具體實施方式做了詳細地描述，但本實用新型并不限于上述實施方式，凡是根據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施方式所做的任何簡單修改，均屬于本實用新型保護的技術(shù)范圍之內(nèi)。