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

于立娟， 張學(xué)成， 陳曉波， 熊宇翔， 王 昕

（吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

機(jī)電傳動(dòng)控制是機(jī)械工程學(xué)科的專業(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，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William Wolf教授［3］提出的“從虛擬設(shè)備至物理設(shè)備的過程”，被用來描述一個(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FEEDBACK A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24 V，動(dòng)力電源用單相AC 220 V。

圖1 直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理

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。

圖2 直線電動(dòng)機(jī)推力測(cè)試裝置模型和實(shí)物

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作界面

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)設(shè)置

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)（Liner Brushless），持續(xù)電流為3 A，機(jī)械速度選為1.2 m/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0.5 μm，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器的4 倍頻后的每米脈沖為500 000 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20 s，以防止直線電動(dòng)機(jī)繞組的溫升過快。數(shù)據(jù)讀數(shù)見表1。

圖5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信參數(shù)設(shè)定

圖6 驅(qū)動(dòng)器電流參數(shù)設(shè)定

表1 直線電機(jī)靜態(tài)推力測(cè)試結(jié)果

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)。

圖7 測(cè)力環(huán)與壓力傳感器輸出推力的關(guān)系

3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的操作項(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)開始時(shí)按照說明書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、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)。