彭小光，許益民

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430081)

傳統(tǒng)的壓力流量復(fù)合型液壓動(dòng)力源包括壓力流量復(fù)合控制變量泵和定量泵加溢流節(jié)流閥兩種形式。其中，以壓力流量復(fù)合控制變量泵作為壓力流量復(fù)合控制動(dòng)力源的技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但變量泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其控制特性受泵容腔效應(yīng)和執(zhí)行元件機(jī)械響應(yīng)速度的影響。

以定量泵加溢流節(jié)流閥作為壓力流量復(fù)合型的動(dòng)力源存在較大的溢流損失和節(jié)流損失，液壓系統(tǒng)功率消耗大，常用于小功率液壓系統(tǒng)。

近年來(lái)出現(xiàn)的以伺服電機(jī)+定量泵+壓力反饋?zhàn)鳛閴毫α髁繌?fù)合動(dòng)力源是應(yīng)用電機(jī)和電子技術(shù)的一種新型節(jié)能液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)。這種動(dòng)力源通過(guò)控制器改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變定量泵的輸出流量，以得到需要的功率 (流量或壓力)，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成、無(wú)節(jié)流和溢流損失、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。這種液壓動(dòng)力源控制特性不僅受電機(jī)的機(jī)械響應(yīng)和泵的容腔效應(yīng)影響，還受電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路特性的影響。

為此，需要測(cè)試這種液壓動(dòng)力源的電機(jī)特性對(duì)動(dòng)力源壓力與流量的影響，如測(cè)出伺服電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等，以驗(yàn)證和改善這種新型液壓動(dòng)力源的性能。

1 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)由NI公司X系列采集卡USB-6341﹑轉(zhuǎn)矩傳感器﹑編碼器組成，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

轉(zhuǎn)矩傳感器量程－500～500 N·m，對(duì)應(yīng)頻率5～15 kHz。編碼器為伺服電機(jī)自帶的光電正交編碼器，每轉(zhuǎn)2 500線。伺服電機(jī)極限轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，因此編碼器輸出最大頻率為208.333 kHz。

圖1中，Conuter0用于轉(zhuǎn)速測(cè)試，Conuter1用于辨別電機(jī)轉(zhuǎn)向，Conuter2用于轉(zhuǎn)矩測(cè)試。兩個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)法蘭與轉(zhuǎn)矩傳感器相連。伺服電機(jī)2僅作轉(zhuǎn)矩控制，伺服電機(jī)1僅作轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)矩傳感器只作轉(zhuǎn)矩測(cè)試用。

伺服電機(jī)2與伺服電機(jī)1對(duì)拖，就會(huì)形成轉(zhuǎn)矩加載在伺服電機(jī)1上。伺服電機(jī)2繞阻的電流反饋到驅(qū)動(dòng)器形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)回路，改變伺服電機(jī)2的繞阻電流就可改變加載在伺服電機(jī)1上的轉(zhuǎn)矩，以此來(lái)模擬液壓泵加在伺服電機(jī)1上的外部變載荷。改變驅(qū)動(dòng)器給伺服電機(jī)1的脈沖序列頻率可改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速又通過(guò)其自帶的編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)器形成速度閉環(huán)回路。

2轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 界面設(shè)計(jì)

前面板包含主界面、曲線回放、參數(shù)設(shè)置。其中，主界面如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)主界面

主界面可數(shù)顯和圖顯采集的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)和控制電機(jī)啟停的開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài);可設(shè)定測(cè)試時(shí)間、設(shè)置掃屏?xí)r間 (圖形顯示控件翻頁(yè)時(shí)間)、是否啟用x標(biāo)尺自動(dòng)調(diào)整 (根據(jù)設(shè)定的測(cè)試時(shí)間標(biāo)尺自動(dòng)調(diào)整以顯示整個(gè)測(cè)試時(shí)間段曲線)、是否啟用掃屏、是否保存數(shù)據(jù)、使用游標(biāo)等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)編碼器和轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)都是一定頻率的脈沖信號(hào)。測(cè)出編碼器和轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出頻率就可轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2.2.1 采用周期取反法測(cè)頻率

周期取反法原理如圖3所示。fx為被測(cè)信號(hào)，fk為采集卡時(shí)基信號(hào) (采集卡內(nèi)部路由，不需接線)。

周期取反法測(cè)頻率，僅適合測(cè)試低頻信號(hào)。被測(cè)信號(hào)的頻率小于時(shí)基信號(hào)頻率的1/100，被測(cè)信號(hào)可視為低頻信號(hào)。編碼器輸出最大頻率為208.333 kHz，轉(zhuǎn)矩信號(hào)最大頻率為15 kHz，遠(yuǎn)小于USB-6341最大時(shí)基 (100M)，因此，用周期取反法所測(cè)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩頻率能滿足精度要求。

圖3 周期取反法原理圖

2.2.2 啟用數(shù)字濾波濾除高頻干擾

在一些高電壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)的環(huán)境中，信號(hào)會(huì)受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖，這類(lèi)干擾會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。啟用數(shù)字濾波并設(shè)置合適的濾波寬度，就可將這些高頻干擾信號(hào)濾掉，得到理想的頻率信號(hào)。數(shù)字濾波不僅方便可靠，而且還可節(jié)省硬件成本。

轉(zhuǎn)速信號(hào)的最大頻率對(duì)應(yīng)的脈寬約為2.4 μs，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的最大頻率對(duì)應(yīng)的脈寬約為33 μs，濾波寬度要略小于信號(hào)最大頻率對(duì)應(yīng)的脈寬。根據(jù)X系列濾波寬度設(shè)置表，轉(zhuǎn)速濾波寬度可設(shè)為0.2 μs，轉(zhuǎn)矩濾波寬度可設(shè)為5.12 μs。為了得到更好的測(cè)試效果，需要做好的屏蔽措施，并將信號(hào)電纜的屏蔽線與采集卡的屏蔽地相連。

2.2.3 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試分別設(shè)不同采樣率

轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的頻率不一樣，各自完成一次測(cè)試的時(shí)間就不一樣。為方便定時(shí)測(cè)試和等間隔采樣，程序中增加采樣時(shí)鐘模塊。設(shè)置采樣時(shí)鐘采樣率后，就可讓轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以固定的采樣間隔更新和顯示，而且還可以設(shè)置緩存大小，將采集的數(shù)據(jù)先放至采集卡的板載內(nèi)存，計(jì)算機(jī)再將板載內(nèi)存的數(shù)據(jù)取出顯示，以防數(shù)據(jù)丟失。

用采樣時(shí)鐘控制采樣，被測(cè)信號(hào)頻率低于采樣率時(shí)，程序會(huì)報(bào)錯(cuò)。雖然可用“清除錯(cuò)誤vi”將錯(cuò)誤清除并強(qiáng)制輸出0(實(shí)際不為零)，讓測(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行，但這樣會(huì)使低于采樣率的信號(hào)測(cè)試失真。降低采樣率可減小失真，但測(cè)試精度又會(huì)降低。編碼器輸出的頻率為0～208.3 kHz，轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的頻率為5～15 kHz。若能對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別設(shè)置不同的采樣率，調(diào)出合適的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩采樣率，不僅可減小低于采樣率的轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)試失真，而且還可以保證轉(zhuǎn)矩的測(cè)試精度不受影響。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分別設(shè)不同采樣率的方法。創(chuàng)建一個(gè)模擬采集任務(wù)，將采集編碼器頻率任務(wù)的采樣時(shí)鐘源選擇為模擬采集任務(wù)的時(shí)鐘源，使模擬采集和采集編碼器頻率任務(wù)同步;創(chuàng)建一個(gè)模擬輸出任務(wù)，將采集轉(zhuǎn)矩傳感器頻率任務(wù)的采樣時(shí)鐘源選擇為模擬輸出任務(wù)的時(shí)鐘源，使模擬輸出與采集轉(zhuǎn)矩傳感器頻率任務(wù)同步。再將創(chuàng)建的模擬輸出和模擬采集任務(wù)共用一個(gè)開(kāi)始觸發(fā)，就可使采集編碼器頻率、采集轉(zhuǎn)矩傳感器頻率這兩個(gè)分別設(shè)置不同采樣率的頻率采集任務(wù)從同一時(shí)刻開(kāi)始。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩設(shè)置了不同的采樣率后，要讓轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩在一個(gè)循環(huán)和圖形顯示控件中同步運(yùn)行和顯示，就要使轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩“讀取vi每通道采樣數(shù)”之比等于轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩采樣率之比。這樣就能使兩個(gè)采集任務(wù)在同一循環(huán)同步運(yùn)行和顯示。

2.2.4 轉(zhuǎn)向識(shí)別

編碼器A相和B相分別接計(jì)數(shù)器的Source端和AUX端。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相下降沿始終對(duì)應(yīng)B相高電平，計(jì)數(shù)值總是向上增加，如圖4所示;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相的下降沿始終對(duì)應(yīng)B相的低電平，計(jì)數(shù)值總是向下減少，如圖5所示。根據(jù)計(jì)數(shù)值增加還是減少可以判斷出伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。編碼器每旋轉(zhuǎn)一周會(huì)產(chǎn)生2 500個(gè)脈沖，所以通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間的計(jì)數(shù)值還可以轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

圖4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

圖5 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

3 程序圖

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)主要部分程序如圖6所示。x標(biāo)尺自動(dòng)調(diào)整和掃屏設(shè)置可調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)對(duì)波形圖的時(shí)間標(biāo)尺最大值和最小值進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。USB-6341 I/O端口輸出的開(kāi)關(guān)量可作為伺服電機(jī)啟停的控制信號(hào)。調(diào)用寫(xiě)入電子表格和MS Office Report模塊，可保存數(shù)據(jù)回放和Excel文件。

圖6 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)程序圖

由測(cè)試程序得到的測(cè)試曲線如圖7和圖8所示。

圖7 電機(jī)正轉(zhuǎn)測(cè)試曲線

圖8 電機(jī)反轉(zhuǎn)測(cè)試曲線

4 結(jié)語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)界面友好、穩(wěn)定可靠，具有定時(shí)測(cè)試、等間隔采樣、獨(dú)立設(shè)置不同采樣率、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩在同一波形圖中顯示、掃屏設(shè)置、x標(biāo)尺自動(dòng)調(diào)整、數(shù)據(jù)保存、曲線回放等功能。伺服電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)2 500線且啟動(dòng)時(shí)間快，低頻段時(shí)間極短，低于采樣率的信號(hào)測(cè)試失真，可忽略不計(jì)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，能精確測(cè)出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間，為驗(yàn)證和改善變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)的性能提供了有力的依據(jù)。

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