劉 永，谷立臣

(1.湖北汽車工業(yè)學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002；2.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064；3.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

液壓傳動是機電裝備中一種常見的機械傳動方式，目前雖然理論分析與軟件仿真的方法已經(jīng)日益廣泛地應用在液壓傳動的工程設計、教學及科研中，但實驗研究依然是系統(tǒng)和元件性能相對可靠的驗證方式。設計的專用液壓實驗臺[1,2]可以為工程設計中的產(chǎn)品性能進行驗證，如鋼管成型機[3]、汽車液壓齒輪轉(zhuǎn)向器[4]、液壓機械無級變速器[5]等。另外，實驗臺也可以為液壓元件、系統(tǒng)做性能測試，如泵[6]、閥泵并聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)[7]的性能驗證實驗。

某些高校自主開發(fā)了專用的液壓教學實驗臺，滿足了個性化液壓與氣動課程教學實驗的需求[8,9]。這些實驗臺可以針對具體液壓設備、部件、元件的性能及控制方式進行實驗驗證，但實驗對象及內(nèi)容單一、針對性強、擴展性差。

為了提高使用效益，在滿足教學實驗需求的同時，某些高校設計的綜合液壓測試實驗臺具有良好的擴展性，能進行元件、回路、系統(tǒng)的性能測試[10-12]，為科研提供了實驗平臺支撐。這些實驗臺擴展性、綜合性好，實驗內(nèi)容豐富、多樣化，但動力源或是固定轉(zhuǎn)速電機加定量泵，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。

本文以開式變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)為對象，設計以工控機和LabVIEW軟件為基礎的測控實驗臺；介紹實驗臺的硬件部分、電氣控制原理及測控系統(tǒng)結構，分析液壓馬達轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制實驗結果。

1 實驗臺總體設計

實驗臺原理圖如圖1所示。

圖1 實驗臺原理圖1—散熱器；2-1，2-2—截止閥；3—柱塞液壓馬達；4—測速齒輪；5—減速器；6—磁粉制動器；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—先導式電磁溢流閥；13—交流伺服電機；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；21—D/A轉(zhuǎn)換器

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

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

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24 V的直流電源供電，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器可以通過工控機接線端子提供的5 V的直流電源供電，電壓、電流傳感器是霍爾傳感器，可以通過自制的三相電獲取裝置輸出1 V～10 V的電壓信號。以上傳感器信號作為輸入信號通過工控機的采集卡的采集端子A/D轉(zhuǎn)化器采集下來，進入工控機里編制的LabVIEW測控軟件中。

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

2 實驗臺電氣控制

實驗臺的電氣主回路如圖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，通過接觸器KM接通電路使伺服電機得電；右邊220 V的單向交流電機為散熱器風扇電機，通過繼電器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、散熱器電機采用的是啟動、保持、停止基本電路。

總電源通過按鈕SB1、SB2、繼電器KA1控制總電源的接通和斷開；磁粉制動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，使磁粉制動器線圈YA1接通，再按一下斷開；

SA2為手動轉(zhuǎn)換開關，中間位置處于斷開狀態(tài)，此時對應圖1中換向閥的中位，該狀態(tài)下圖1中液壓馬達沒有油液進入，即使伺服電機旋轉(zhuǎn)，油液從溢流閥溢流回到油箱，此時液壓馬達處于停止狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)SA2到左、右位置時分別使圖1中換向閥的左右兩端電磁鐵YV1、YV2得電，可以實現(xiàn)液壓馬達正、反轉(zhuǎn)的切換。

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

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

在LabVIEW測控軟件中，標定0～10 V電壓線性對應0～2 000 r/min轉(zhuǎn)速，可以使實際電機轉(zhuǎn)速值準確地達到目標值。

3 實驗臺測控系統(tǒng)結構

測控系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)結構圖

圖4的測控系統(tǒng)結構中，筆者采用性價比高的研華工控機，采集板卡為PCI-1711，最大采樣頻率可達100 kHz，2路模擬量輸出通道分別接線連接圖1中伺服控制器和電流變換器，控制對象為伺服電機轉(zhuǎn)速、磁粉制動器加載力矩；模擬量輸入通道可以采集轉(zhuǎn)速、壓力、流量、溫度、電機電流與電壓的測量信號。

液壓馬達轉(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的方波信號采集后，通過在軟件中編制測速算法將轉(zhuǎn)速值測量出來；電機轉(zhuǎn)速測量是將HSV-18D-025伺服控制器的電機轉(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際電機轉(zhuǎn)速值進行標定。

電機轉(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，可以在工控機的LabVIEW軟件中編制不同的測控程序?qū)ι鲜鱿嚓P的物理量進行測量和控制；也可以編制軟件程序?qū)﹄姍C功率、液壓功率進行測量。

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

4 實驗臺液壓馬達轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制實驗

液壓馬達轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制框圖如圖5所示。

圖5 液壓馬達轉(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構成內(nèi)部的一個閉環(huán)，反饋信號為光電碼盤測回的實際轉(zhuǎn)速，輸入信號為轉(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)動器的轉(zhuǎn)速控制電壓與伺服電機實際轉(zhuǎn)速的對應關系。

外部是液壓馬達轉(zhuǎn)速大閉環(huán)控制，反饋信號為液壓馬達實際轉(zhuǎn)速，輸入信號為液壓馬達目標轉(zhuǎn)速；控制器為LabVIEW軟件里封裝的PID子vi程序控件，PID控制器輸出信號為轉(zhuǎn)速控制電壓，馬達目標轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速控制電壓、伺服電機實際轉(zhuǎn)速之間關系，通過液壓傳動中的公式及電機轉(zhuǎn)速標定公式換算得到。

該控制方式能保證液壓馬達轉(zhuǎn)速實際值動態(tài)達到設定值。實際轉(zhuǎn)速、壓力及流量變化曲線如圖6所示。

圖6 實際轉(zhuǎn)速、壓力及流量變化曲線

圖6中，實驗工況為設定液壓馬達轉(zhuǎn)速目標值200 r/min-600 r/min-200 r/min階躍變化，磁粉制動器加載電壓3.5 V恒定。

從圖6(a)可以看出：實際液壓馬達值能較好地維持在目標轉(zhuǎn)速值附近。

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

隨著液壓馬達轉(zhuǎn)速的加大，電機轉(zhuǎn)速從230 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左右的變化時刻，實際液壓馬達轉(zhuǎn)速有較小的超調(diào)量，但由于控制方式是液壓馬達轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，當系統(tǒng)測得實際轉(zhuǎn)速超過目標轉(zhuǎn)速時候，可以通過PID控制器降低電機轉(zhuǎn)速控制輸出電壓，從而降低實際流量、液壓馬達轉(zhuǎn)速，使實際轉(zhuǎn)速維持在目標轉(zhuǎn)速附近；在該時刻，磁粉制動器加載電壓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。

電機轉(zhuǎn)速變化時才會引起系統(tǒng)流量、液壓馬達轉(zhuǎn)速的變化，因此在階躍變化時刻，電機變化響應略早于液壓馬達實際轉(zhuǎn)速；當實際液壓馬達轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速時，調(diào)節(jié)、校正過程正好相反；在20 s左右的降速時刻，液壓馬達轉(zhuǎn)速的校正及壓力、流量、電機轉(zhuǎn)速變化過程正好相反。

即使出現(xiàn)目標轉(zhuǎn)速變化或者外負載變化，使得液壓馬達轉(zhuǎn)速實際值偏離設定值，該控制方式也能通過調(diào)整伺服電機轉(zhuǎn)速，改變系統(tǒng)流量，使得液壓馬達轉(zhuǎn)速實際值動態(tài)維持在目標值附近。

5 結束語

本文介紹了變轉(zhuǎn)速液壓測控實驗臺的測控系統(tǒng)結構及硬件構成，并在搭建的液壓馬達轉(zhuǎn)速PID控制實驗臺上進行了實驗，結果表明，液壓馬達目標轉(zhuǎn)速200 r/min～600 r/min階躍變化時，其實際轉(zhuǎn)速值能很好地響應目標值變化，并動態(tài)地維持在目標值附近。

筆者所設計的變轉(zhuǎn)速液壓實驗臺擴展性強，可以針對流量[13]、壓力[14]、液壓馬達轉(zhuǎn)速[15]、電機功率[16]及液壓功率[17]開發(fā)多種測控實驗，滿足教學和科研的需求。