直线电动机推力测试虚拟仿真实验设计

于立娟， 张学成， 陈晓波， 熊宇翔， 王 昕

（吉林大学机械与航空航天学院，长春130022）

0 引 言

机电传动控制是机械工程学科的专业基础课，在前修课程物理、电工电子、控制工程等基础上，讲授具有工程实际应用功能的电气传动基础知识及应用。课程内容主要包括电动机、电气控制系统等，电动机的结构、原理、性能是课程课堂教学与实践教学的重要组成部分，其中直线电动机是一种将电能转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的零传动电动机［1］，具有定位精度高、灵敏度高、安全可靠、零维护等特点，完全替代了“旋转电机＋滚珠丝杠”的运动形式，除此以外，在生物医学、物流运输、机械工程、航空航天等方面正发挥越来越重要的作用。

虚拟仿真实验平台［2］是指“利用计算机、软件和网络技术构造的能够模拟真实实验环境和设备并能实现部分实验功能的虚拟平台”。近年来，国内外有很多高等院校和大型科研院所都建设了虚拟仿真实验平台，基本思想也是基于William Wolf教授［3］提出的“从虚拟设备至物理设备的过程”，被用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境，被形容成为“一个无墙的中心”。

针对机电、医学、桥梁、塑性成形等类型本科课程典型实验，国内高等院校建设了各种形式的虚拟仿真实验平台，利用先进的计算机网络、虚拟现实、虚拟仪器等技术，建立开放型的课程虚拟仿真实验平台，彻底打破传统实验在时间、空间和资源上的限制，为学生提供高质量的虚拟实验环境［4-8］。

1 虚拟仿真平台下直线电动机推力测试实验原理与特点

直线电动机推力测试实验原理［9］如图1 所示。系统由PC 工控机、伺服驱动器、直线电动机（动子、定子）、测力环、测力传感器及其他辅助零部件组成。其中：PC工控机和驱动器之间采用RS-232 通信接口，通过端子连接，ELMO（Tuba 系列）驱动器的COM1 的TX、RX、COMMRET 分别与PC 计算机的RS-232 接口的RXD、TXD、GND连接；驱动器的M1、M2、M3、PE 分别与直线电动机的U、V、W、GND 连接；光栅尺的A＋、A-、B ＋、B-分别与驱动器FEEDBACK A接口的6、5、15、14、连接，驱动器的3、4 分别与光栅尺上的DGND、VDD连接；驱动器自身的辅助直流电源为24 V，动力电源用单相AC 220 V。

图1 直线电动机推力测试虚拟仿真实验原理

该实验具有其他虚拟仿真实验项目［10-17］的特点：预约实验课程——自动生成课表、理论测试——查漏补缺、虚拟仿真实验——搭建电路、智能纠错——指出电路错误、不受场地、设备及耗材的限制、安全系数高等，除此以外，直线电动机推力测试实验还具有自己的实验特点：学生可以在虚拟仿真实验平台上熟悉直线电动机的工作原理及运行特征；熟悉直线电动机参数设置及其驱动器、控制器的操作方法及使用，动手操作直线电动机、驱动器、控制器、光栅尺之间的接线，直线电动机推力测试装置模型和实物如图2、3 所示；测试直线电动机的电磁推力。

2 直线电动机推力测试实验的实验过程

进入图3、4 所示的实验系统后，完全实行学生自主操作，包括电气控制线路连接、线型选择、参数设定等，学生在不同的参数运行时会得到不同的实验数据和曲线。

图2 直线电动机推力测试装置模型和实物

图3 虚拟仿真实验的操作界面

图4 虚拟仿真实验过程中的参数设置

利用ELMO 驱动器提供的Composer 对电机控制参数进行自动调节。由于实验选用直线光栅尺的输出信号为EIA-422-A差模信号，需转变为运动控制器可以接收处理的离散数字信号，以实现反馈调节。在图5、6 所示的参数设置中选择无刷直线电动机（Liner Brushless），持续电流为3 A，机械速度选为1.2 m/s。在主反馈中选择增量式编码器（Encoder），数字光栅尺的分辨率为0.5 μm，经伺服驱动器的4 倍频后的每米脉冲为500 000 个。

直线电动机参数设置完成后，进入实验状态。使用测力环作为测试元件，在直线电动机额定载荷处预加载3 次，然后将测力环的大指针归零，测力传感器的数据由数显表（2000 标准负荷测量仪）显示，单位格式为mV/V。直线电动机运行时，分别在不同电流值时读取测力环和数显表数据，通电时间不宜超过20 s，以防止直线电动机绕组的温升过快。数据读数见表1。

图5 电动机驱动器通信参数设定

图6 驱动器电流参数设定

表1 直线电机静态推力测试结果

根据输出推力结果得到测力环与压力传感器输出推力关系如图7 所示，2 曲线分别说明绕组电流有效值和输出推力的相关性，并可据此求出直线电动机的推力常数。

图7 测力环与压力传感器输出推力的关系

3 学生实验过程中的操作项目

基于虚拟仿真技术的直线电动机推力测试实验按照实验预约、课表生成、实验预习、虚拟仿真实验、题目问答、成绩评定的顺序完成。在虚拟仿真实验之前学生在预习试题库中抽取5 道试题进行解答，预习内容为虚拟仿真实验以及后续的真实实验做知识准备；实验开始时按照说明书指示完成电气线路的连接，包括电动机与驱动器之间、驱动器与PC 机之间等，虚拟仿真实验台摆放、电脑主机面板上按钮等位置与实际设备完全一致。再运用语音、动画、视频等进行人机互动；学生在系统中提交实验报告，包括类似表1 所示的静态推力测试结果和电机的推力特性曲线，最后教师通过网络评审实验报告，给定实验成绩。

4 结 语

虚拟仿真实验平台突破传统实验的时间、地点限制，在一定程度上弥补传统实验的不足，丰富了实践教学的形式和内容，并给本科学生提供了创新的空间。虚拟仿真平台下直线电动机推力测试实验本着“虚、实结合、以实为主”的原则开设，具有以下的优点：学生操作安全性高，不受工业常用的AC220V、380V直线电动机供电电压的制约；经济性高，一般中等推力的直线电动机价格较贵，虚拟仿真实验可以在较低成本下完成虚拟仿真实验，有利于学生们对技术理论知识有更深刻理解，并在有限的实验条件下，完成实际实验装置的演示实验；虚拟仿真实验平台的智能纠错功能，使学生在实验输入的参数有误时自动纠错，并提示修改成正确的数值，还可得到不同参数下的实验曲线，掌握直线电动机的推力特性，完全体现了虚拟仿真实验平台经济性、灵活性优势。