楊 雷，陳蘇聲，成 強(qiáng)

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200072）

0 引言

近年來，新興市場的風(fēng)電發(fā)展迅速。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風(fēng)電特別是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風(fēng)電最為活躍的場所。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。隨著地球上化石能源的危機(jī)和全球環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，最近幾年得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。隨著風(fēng)為發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和裝機(jī)量的不斷増加，風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行成為近年了人們關(guān)注的主要問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障不但造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組毀壞甚至造成人身安全事故。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的故障中，齒輪箱的故障最頻繁，所以，設(shè)計(jì)一種基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢測平臺(tái)是必要的。

基于國標(biāo)JB/T 10400.2-2004對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，儀器儀表的規(guī)格、量程、精度與實(shí)驗(yàn)相適應(yīng)，測試項(xiàng)目為加載轉(zhuǎn)矩（功率）及轉(zhuǎn)速時(shí)，測試精度不超過讀數(shù)的1%，優(yōu)先采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，并與在被測齒輪箱的輸入輸出端各裝一臺(tái)傳感器，直接測定試件的輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。最后通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析并計(jì)算結(jié)果。如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱檢測平臺(tái)簡圖

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/h2>

為便于描述，將被測件用剛性軸表示，即檢測系統(tǒng)的硬件部分主要包括：比例閥、Beckhoff公司的I/O模塊（EL3102、EL4132等）、Baumuller伺服電機(jī)及Baumuller驅(qū)動(dòng)器的模擬量輸入/輸出功能卡、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、剛性軸、制動(dòng)器、研華工控機(jī)等。即實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)加載系統(tǒng)

其中PC機(jī)的軟件TwinCAT 3通過Beckhoff模擬量輸出模塊（EL4132通道1）控制伺服電機(jī)，給定伺服電機(jī)定值轉(zhuǎn)速，同時(shí)TwinCAT 3通過Beckhoff模擬量輸出模塊（EL4132通道2）給電氣比例閥輸入模擬量電壓，從而控制氣體流入制動(dòng)器的氣壓，進(jìn)而控制制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩；并且扭矩傳感器通過模擬量輸入模塊（EL3102通道1）實(shí)時(shí)反饋給PC機(jī)的軟件TwinCAT 3，與設(shè)定值進(jìn)行比較，獲得誤差，通過控制算法得到相應(yīng)的控制量，實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與實(shí)際測得值之差趨于零。針對上述控制系統(tǒng)硬件工作的簡述，下節(jié)將對主要部件的參數(shù)分析，并選擇合理的硬件型號，以謀求高精度控制的試驗(yàn)平臺(tái)。

通過一端制動(dòng)器加載制動(dòng)力，另一端電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)一側(cè)抱死或由另一側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的扭矩加載控制。即在上位機(jī)發(fā)送理想輸入轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論值加載，通過電氣比例閥的數(shù)字控制后，由模擬量/開關(guān)量輸出的電信號經(jīng)過等比例轉(zhuǎn)化為氣壓力輸入給制動(dòng)器，使之產(chǎn)生扭矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被控對象的加載，同時(shí)要求精確地控制加載扭矩，所以需利用傳感器作反饋測量，確保在實(shí)時(shí)反應(yīng)誤差變化下，調(diào)整其控制輸入?yún)?shù)，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)扭矩加載控制。

2 試驗(yàn)過程的同軸度等裝配問題

在制動(dòng)器接收到模擬量0V電壓時(shí)，且伺服電機(jī)無轉(zhuǎn)速的情況下，其扭矩傳感器采集制動(dòng)器的數(shù)據(jù)（幅值數(shù)值為300，轉(zhuǎn)化為扭矩可近似為0Nm）；從波圖中反應(yīng)較為平穩(wěn)，沒有較大的峰尖。如圖3所示。

圖3 電機(jī)無轉(zhuǎn)速空載時(shí)扭矩檢測

在制動(dòng)器接收到模擬量0V電壓時(shí)，且伺服電機(jī)有轉(zhuǎn)速（800r/min）的情況下，其扭矩傳感器采集制動(dòng)器的數(shù)據(jù)（幅值數(shù)值為2000，轉(zhuǎn)化為扭矩可近似為10Nm）。從波形圖看出，其曲線波動(dòng)大，且有較大的峰尖。如圖4所示。

圖4 電機(jī)有轉(zhuǎn)速空載時(shí)調(diào)整前的扭矩檢測

由于上述的峰尖和波動(dòng)性較大，系統(tǒng)是無法滿足加載試驗(yàn)控制精度，但從硬件上方面，調(diào)整電機(jī)與制動(dòng)器聯(lián)接的同軸中心度，并在線監(jiān)測扭矩曲線圖的變化，同時(shí)提高適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的抖振有減緩作用。在軟件方面，通過調(diào)整伺服電機(jī)整流環(huán)中的參數(shù)，能提高自身運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和控制性能。

在制動(dòng)器接收到模擬量0V電壓時(shí)，且伺服電機(jī)有轉(zhuǎn)速（1000r/min）的情況下，其扭矩傳感器采集制動(dòng)器的數(shù)據(jù)（幅值數(shù)值為500，轉(zhuǎn)化為扭矩可近似為0.2Nm）；從波圖中看出波動(dòng)不大，且有較小的峰尖。能夠滿足試驗(yàn)加載的控制要求，且在誤差允許范圍之內(nèi)（4Nm）。如圖5所示。

圖5 電機(jī)有轉(zhuǎn)速空載時(shí)調(diào)整后的扭矩檢測

3 系統(tǒng)平臺(tái)的調(diào)試

在ProDrive軟件上只進(jìn)行電機(jī)的調(diào)試：首先需要軟件與串口進(jìn)行匹配，即在ProDrive軟件中選擇驅(qū)動(dòng)器型號和通訊方式，建立起上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊；然后對電源模塊、編碼器模塊和電機(jī)單元進(jìn)行設(shè)置，這個(gè)過程中，需要返回driver manger界面查看系統(tǒng)是否有故障、排除系統(tǒng)故障及清除系統(tǒng)錯(cuò)誤。在完成上述配置后，對電機(jī)進(jìn)行找零與內(nèi)部電流環(huán)自整定，最后嘗試斜坡運(yùn)行電機(jī)，觀察電機(jī)是否平穩(wěn)。如圖6電機(jī)模塊配置和圖7電機(jī)斜坡運(yùn)行界面所示。

圖6 電機(jī)模塊配置

圖7 電機(jī)斜坡運(yùn)行界面所示

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加載和卸載

按前述仿真過程，基于TwinCAT_3軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)程序，在制動(dòng)器加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)中，采用增量PID算法對制動(dòng)器加載扭矩進(jìn)行控制。設(shè)定伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為800r/min，系統(tǒng)的采樣時(shí)間為0.001s。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1增量PID控制參數(shù)設(shè)定值，所示試驗(yàn)結(jié)果由TwinCAT_3示波器功能顯示如圖9和圖10所示。

表1 增量PID控制參數(shù)設(shè)定值

圖8和圖9分別給出了采用增量式PID控制的階躍加載系統(tǒng)扭矩和正弦加載系統(tǒng)扭矩響應(yīng)曲線圖。由階躍扭矩響應(yīng)波形曲線可以看出，輸出扭矩波形有一定的延時(shí)，在0.54s后開始響應(yīng)，在0.96s時(shí)才能達(dá)到設(shè)定扭矩值，并在此后開始穩(wěn)定，達(dá)到理想輸出的扭矩，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)加載扭矩閉環(huán)的控制。由正弦扭矩響應(yīng)波形曲線可以看出：設(shè)定扭矩最大值為40Nm，最小值為16Nm，周期為3s的正弦函數(shù)，在實(shí)際測得扭矩中，在正弦低谷處，其波形有變形趨勢，且有延時(shí)現(xiàn)象存在。總體來說，采用增量式PID控制的階躍扭矩加載系統(tǒng)扭矩和正弦扭矩加載系統(tǒng)扭矩，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動(dòng)加載扭矩閉環(huán)控制。

圖8 PID階躍扭矩響應(yīng)試驗(yàn)圖

圖9 PID正弦扭矩響應(yīng)試驗(yàn)圖

5 結(jié)語

本文主要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱檢測，進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，基于負(fù)載試驗(yàn)和轉(zhuǎn)矩（功率）檢測進(jìn)行搭建，依據(jù)國標(biāo)JB/T 10400.2-2004文件，通過裝配和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證本檢測臺(tái)的有效性和可行性。