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电动系统机械负载动力学控制

电动机是现代工业、国防等行业中非常重要的执行机构，它在实际应用中所承担的

机械负载具有复杂化、多样化的特点。随着科技不断的进步，一方面对于生产过程

的控制要求越来越高，电动机所承载的机械负载越来越复杂，对其进行高精度的控

制，需要采用先进的控制策略，然而采用现场试验的方法研究控制算法是不现实的，

危险性和成本都比较高，采用纯理论仿真研究，又难免会脱离真实的物理实际；另

一方面，对电动机的性能要求越来越高，需要有对电动机进行测试的设备。因此，

我们需要一种能够对实际应用中机械负载进行模拟的系统，用于满足离线控制算法

研究和电动机性能测试的设备，电动负载模拟系统能够满足以上两个方面的要求。

目前，国内外很多学者在基于电动系统的负载模拟控制和应用方面做了大量的研究

工作。文献[1]中电动负载模拟系统是由两台同轴相连的电机构成，一套为被测电

机，另一套为负载模拟电机，通过对负载模拟电动机进行控制，使其为被测电机提

i供各种实际应用中的机械负载。文献[2―4]也是基；于电动系统的负载模拟装置，

提出了能够模拟机械；负载动态性能的负载模拟电动机控制算法，实验和仿真结果

均证明该控制算法是有效的。文献[5]采i用两台电机同轴相连的方式，建构二自由

度机器人手臂的非线性负载模拟的半实物仿真系统。文献i[6]给出了一套测试电梯

曳引电动机的系统，驱动电机为曳引电动机，采用一套直流电机来模拟电梯i曳引

电动机的负载。文献[7]提出采用电动负载模拟系统用来模拟风力机风轮的动态特

性，用于帮助；．．设计和测试实际的风力发电系统。文献[8]介绍了：军用于测

试潜艇驱动电机的负载模拟系统，它以一台i直流发电机为负载模拟电机，模拟潜

舰负载。；囊目前大多数应用到实际系统之中的多局限于机的械负载的静态模拟，

对于动态模拟还不多。并且模!城拟的负载多是线性负载的静态模拟，对于非线性

的；研究还有待深入。本文就基于电动系统的线性和非翌线性机械负载的动力学模

拟进行研究。

1负载模拟系统的模型

系统的总体结构如图1所示，驱动电机和负载；模拟电机同轴连接，其中驱动电

机是三相交流电机，加载电机为一台可以四象限运行的直流电机。通过对模拟电机

进行控制，使其为驱动电机提供负载，完成对驱动电机的测试或者驱动电机伺服控

制算法的研究。……扭矩传感器‘…‘；图l系统总体结构框图；由于驱动电机采用

三相异步电机，为了取得良好的伺服控制效果，对其采用矢量控制，得出驱动电i

机控制数学模型。：(+Ld)i一+丁Lms~r(1)lLqs：

(+Lss)+L~tosd8+―Lm―o)s~br(2)fr：～’r•；=(3)：

PTL,．tpriq~(4)IrTLmLqs(5)I―rrr6=dt(6)IJ0、式中_-／Ads和分别为d轴和q轴

定子电压；如和i分别为d轴和q轴定子电流；为转子磁链；Te为电磁转矩；R

和R分别为定子和转子绕组电阻；和三分别为定子和转子绕组电感；为定子与转

子之间的互感；∞。为转差频率；to为转子转速；∞为荤定子磁场同步转速；卜怠；

Lr。絮方程如下：蓑一。)+Bt)to(7)一=(a++e)+(a+(7)馨；式中：J为驱动电机转动

惯量；J为负载模拟电机载!转动惯量；t，为编码器的转动惯量；为驱动电机-ii的

粘性摩擦系数；为负载模拟电机B的粘性摩擦系数。一般情况下，编码器的转动

惯量远小于电机的i转动惯量，可忽略不计。

2负载模拟电机控制算法

文献[1]指出实际系统中的很多机械负载，它们的阻力矩与其转速之间存在一固定

的关系，可以用下式来表示：：d=n+．，ido)+B+6∞+c(IJ。(9)式中：a为恒定的

转矩；．，为转动惯量；B为粘性摩擦系数；b和c分别为速度平方和速度三次方

的系数。通过控制负载模拟电机使其模拟机械负载，则要求驱动电机驱动负载模拟

电机的响应，应该等同于驱动电机驱动真实的机械负载一致，因此可得负载模拟电

机的参考转矩，如下：=口+(．，一．，1)do)+(日一BI)co+6+c(cJ(10)对于负载模

拟电机的控制，目前多数采用如图2所示的直接控制方法。a^c-，曰．丑．图2负

载电机直接控制方法这种控制方法的特点是简单，但是精度较差。文献[1]提出了

一种负载模拟电机转矩反馈的控制策略，通过转矩传感器测出轴上的转矩，这种方

法能够提高测量精度和控制精度，该方法的结构如图3所示，本文采用该种控制

算法。

3仿真研究

交流电机的参数：定子电阻0．435Q，电