劉 永，谷立臣

(1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；3.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

液壓傳動(dòng)是機(jī)電裝備中一種常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)方式，目前雖然理論分析與軟件仿真的方法已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用在液壓傳動(dòng)的工程設(shè)計(jì)、教學(xué)及科研中，但實(shí)驗(yàn)研究依然是系統(tǒng)和元件性能相對(duì)可靠的驗(yàn)證方式。設(shè)計(jì)的專(zhuān)用液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)[1,2]可以為工程設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證，如鋼管成型機(jī)[3]、汽車(chē)液壓齒輪轉(zhuǎn)向器[4]、液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器[5]等。另外，實(shí)驗(yàn)臺(tái)也可以為液壓元件、系統(tǒng)做性能測(cè)試，如泵[6]、閥泵并聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)[7]的性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

某些高校自主開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，滿(mǎn)足了個(gè)性化液壓與氣動(dòng)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求[8,9]。這些實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以針對(duì)具體液壓設(shè)備、部件、元件的性能及控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但實(shí)驗(yàn)對(duì)象及內(nèi)容單一、針對(duì)性強(qiáng)、擴(kuò)展性差。

為了提高使用效益，在滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求的同時(shí)，某些高校設(shè)計(jì)的綜合液壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性，能進(jìn)行元件、回路、系統(tǒng)的性能測(cè)試[10-12]，為科研提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐。這些實(shí)驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展性、綜合性好，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、多樣化，但動(dòng)力源或是固定轉(zhuǎn)速電機(jī)加定量泵，不能改變泵輸出流量；或是大功率、大慣性的變轉(zhuǎn)速、變排量液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)流量、執(zhí)行元件速度閉環(huán)控制穩(wěn)定性差，在低速度區(qū)域段比較顯著。

本文以開(kāi)式變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)以工控機(jī)和LabVIEW軟件為基礎(chǔ)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)；介紹實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件部分、電氣控制原理及測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖1—散熱器；2-1，2-2—截止閥；3—柱塞液壓馬達(dá)；4—測(cè)速齒輪；5—減速器；6—磁粉制動(dòng)器；7—電流變換器；8—磁電式轉(zhuǎn)速傳感器；9—電磁換向閥；10—壓力、流量傳感器；11—單向閥；12—先導(dǎo)式電磁溢流閥；13—交流伺服電機(jī)；14—齒輪泵；15—濾油器；16—溫度傳感器；17—霍爾電壓/電流傳感器；18—伺服控制器；19—A/D轉(zhuǎn)換器；20—工控機(jī)；21—D/A轉(zhuǎn)換器

圖1中，液壓系統(tǒng)為開(kāi)式的變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)動(dòng)力源為伺服電機(jī)與齒輪泵；控制元件為三位四通換向閥，作用為控制液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)；先導(dǎo)式溢流閥起到溢流保護(hù)作用，限制系統(tǒng)的最高加載壓力；執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)，類(lèi)型是手動(dòng)變量柱塞馬達(dá)。

模擬加載元件為磁粉制動(dòng)器，工控機(jī)輸出的1 V～10 V的控制電壓通過(guò)電流變換器轉(zhuǎn)換為勵(lì)磁電流，使磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生作用在減速器輸出軸上的加載力矩，再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)將力矩傳遞作用在液壓馬達(dá)軸上。

傳感器有流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓/電流傳感器、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。流量、壓力及溫度傳感器可以通過(guò)24 V的直流電源供電，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器可以通過(guò)工控機(jī)接線(xiàn)端子提供的5 V的直流電源供電，電壓、電流傳感器是霍爾傳感器，可以通過(guò)自制的三相電獲取裝置輸出1 V～10 V的電壓信號(hào)。以上傳感器信號(hào)作為輸入信號(hào)通過(guò)工控機(jī)的采集卡的采集端子A/D轉(zhuǎn)化器采集下來(lái)，進(jìn)入工控機(jī)里編制的LabVIEW測(cè)控軟件中。

LabVIEW測(cè)控軟件的輸出信號(hào)為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓與磁粉制動(dòng)器加載控制電壓，通過(guò)采集卡的采集端子D/A轉(zhuǎn)化器分別輸出到伺服控制器和電流變換器。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣控制

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電氣主回路如圖2所示。

圖2 電氣主回路

圖2中，伺服控制器控制輸入電壓為220 V，主回路電壓為380 V，通過(guò)接觸器KM接通電路使伺服電機(jī)得電；右邊220 V的單向交流電機(jī)為散熱器風(fēng)扇電機(jī)，通過(guò)繼電器KA2接通得電。

電氣控制回路如圖3所示。

圖3 電氣控制回路

圖3中，總電源、伺服電機(jī)、散熱器電機(jī)采用的是啟動(dòng)、保持、停止基本電路。

總電源通過(guò)按鈕SB1、SB2、繼電器KA1控制總電源的接通和斷開(kāi)；磁粉制動(dòng)器加載采用的是帶自鎖功能的按鈕SB3，按一下接通并能保持自鎖接通電路，使磁粉制動(dòng)器線(xiàn)圈YA1接通，再按一下斷開(kāi)；

SA2為手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，中間位置處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖1中換向閥的中位，該狀態(tài)下圖1中液壓馬達(dá)沒(méi)有油液進(jìn)入，即使伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，油液從溢流閥溢流回到油箱，此時(shí)液壓馬達(dá)處于停止?fàn)顟B(tài)；旋轉(zhuǎn)SA2到左、右位置時(shí)分別使圖1中換向閥的左右兩端電磁鐵YV1、YV2得電，可以實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)正、反轉(zhuǎn)的切換。

圖1中，伺服電機(jī)帶有光電碼盤(pán)，可以實(shí)現(xiàn)從伺服控制器到電機(jī)的轉(zhuǎn)速小閉環(huán)控制;

另外，圖1中，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制選用外部輸入控制方式，工控機(jī)輸出的0～10 V的轉(zhuǎn)速控制電壓輸入伺服驅(qū)動(dòng)器的XS3端子。

在LabVIEW測(cè)控軟件中，標(biāo)定0～10 V電壓線(xiàn)性對(duì)應(yīng)0～2 000 r/min轉(zhuǎn)速，可以使實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速值準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)值。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，筆者采用性?xún)r(jià)比高的研華工控機(jī)，采集板卡為PCI-1711，最大采樣頻率可達(dá)100 kHz，2路模擬量輸出通道分別接線(xiàn)連接圖1中伺服控制器和電流變換器，控制對(duì)象為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁粉制動(dòng)器加載力矩；模擬量輸入通道可以采集轉(zhuǎn)速、壓力、流量、溫度、電機(jī)電流與電壓的測(cè)量信號(hào)。

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速是將圖1中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的幅值為5 V的方波信號(hào)采集后，通過(guò)在軟件中編制測(cè)速算法將轉(zhuǎn)速值測(cè)量出來(lái)；電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量是將HSV-18D-025伺服控制器的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電壓端子引出，接入采集端口，將采集的電壓值與伺服控制器面板上顯示的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行標(biāo)定。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出電壓也可以從伺服控制器輸出端子引出。硬件接好后，可以在工控機(jī)的LabVIEW軟件中編制不同的測(cè)控程序?qū)ι鲜鱿嚓P(guān)的物理量進(jìn)行測(cè)量和控制；也可以編制軟件程序?qū)﹄姍C(jī)功率、液壓功率進(jìn)行測(cè)量。

在液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)流量、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，系統(tǒng)壓力和加載力矩相關(guān)，因此可以編制系統(tǒng)流量與壓力、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)、PID及模糊閉環(huán)控制程序。

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制框圖如圖5所示。

圖5 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制框圖

從圖5可以看出，伺服控制器與伺服電機(jī)構(gòu)成內(nèi)部的一個(gè)閉環(huán)，反饋信號(hào)為光電碼盤(pán)測(cè)回的實(shí)際轉(zhuǎn)速，輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)速控制電壓，控制器內(nèi)置在伺服控制器里，該閉環(huán)控制能保證外部輸入伺服驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速控制電壓與伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

外部是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速大閉環(huán)控制，反饋信號(hào)為液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，輸入信號(hào)為液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；控制器為L(zhǎng)abVIEW軟件里封裝的PID子vi程序控件，PID控制器輸出信號(hào)為轉(zhuǎn)速控制電壓，馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓、伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間關(guān)系，通過(guò)液壓傳動(dòng)中的公式及電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)定公式換算得到。

該控制方式能保證液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)際值動(dòng)態(tài)達(dá)到設(shè)定值。實(shí)際轉(zhuǎn)速、壓力及流量變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)速、壓力及流量變化曲線(xiàn)

圖6中，實(shí)驗(yàn)工況為設(shè)定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值200 r/min-600 r/min-200 r/min階躍變化，磁粉制動(dòng)器加載電壓3.5 V恒定。

從圖6(a)可以看出：實(shí)際液壓馬達(dá)值能較好地維持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速值附近。

從圖6(a，b)中可以看出：在6.5 s左右液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值從200 r/min階躍變化到600 r/min時(shí)，液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速能很好地跟隨目標(biāo)值。

隨著液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的加大，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?30 r/min左右階躍上升到650 r/min左右，從而使系統(tǒng)流量從0.03 m3/h左右階躍上升到0.25 m3/h左右。在6.5 s左右的變化時(shí)刻，實(shí)際液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速有較小的超調(diào)量，但由于控制方式是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)候，可以通過(guò)PID控制器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速控制輸出電壓，從而降低實(shí)際流量、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使實(shí)際轉(zhuǎn)速維持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近；在該時(shí)刻，磁粉制動(dòng)器加載電壓3.5 V恒定，系統(tǒng)壓力從9.5 MPa左右上升到11 MPa左右，這是由于流量增大，系統(tǒng)背壓增大引起的。

電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)才會(huì)引起系統(tǒng)流量、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化，因此在階躍變化時(shí)刻，電機(jī)變化響應(yīng)略早于液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速；當(dāng)實(shí)際液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，調(diào)節(jié)、校正過(guò)程正好相反；在20 s左右的降速時(shí)刻，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的校正及壓力、流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速變化過(guò)程正好相反。

即使出現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化或者外負(fù)載變化，使得液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)際值偏離設(shè)定值，該控制方式也能通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變系統(tǒng)流量，使得液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)際值動(dòng)態(tài)維持在目標(biāo)值附近。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了變轉(zhuǎn)速液壓測(cè)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成，并在搭建的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速PID控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速200 r/min～600 r/min階躍變化時(shí)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速值能很好地響應(yīng)目標(biāo)值變化，并動(dòng)態(tài)地維持在目標(biāo)值附近。

筆者所設(shè)計(jì)的變轉(zhuǎn)速液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展性強(qiáng)，可以針對(duì)流量[13]、壓力[14]、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速[15]、電機(jī)功率[16]及液壓功率[17]開(kāi)發(fā)多種測(cè)控實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足教學(xué)和科研的需求。