基于后驅動裝置控制系統(tǒng)設計

何 萍1，張軍保2，劉海華1，粟海濤1

（1.中國航空動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

基于后驅動裝置控制系統(tǒng)設計

何 萍1，張軍保2，劉海華1，粟海濤1

（1.中國航空動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

為了模擬渦軸發(fā)動機在直升機進行雙發(fā)匹配或自旋下滑過程中的狀態(tài)，實現渦軸發(fā)動機地面試車臺零扭矩試驗的目的，研究了一種基于變頻調速的后驅動裝置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以高速變頻電機為動力，通過ACS800變頻器實現恒轉速和恒扭矩控制，以西門子S7－300可編程控制器為控制核心，以Labview為可視化監(jiān)控軟件，采用現場控制總線Profibus－DP和工業(yè)以太網Industrial Ethernet兩級開放式的網絡結構，較好地實現了零扭矩試驗的控制功能；經試驗表明后驅動裝置的設備選型合理，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、控制精度高、響應速度快、人機界面操控性好、監(jiān)控和安全保護措施完善，滿足了渦軸發(fā)動機對零扭矩試驗的功能要求，實現了渦軸發(fā)動機試車臺零扭矩試驗零的突破，填補了國內空白。

渦軸發(fā)動機試車臺；零扭矩試驗；后驅動裝置；控制系統(tǒng)

0 引言

為了模擬渦軸發(fā)動機在直升機進行雙發(fā)匹配或自旋下滑過程中的狀態(tài)，渦軸發(fā)動機在飛行前規(guī)定持久試車和定型持久試車的程序中，需進行零扭矩試驗（即發(fā)動機輸出軸的扭矩為零），以考核發(fā)動機在此狀態(tài)下運轉的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。為實現零扭矩試驗，渦軸發(fā)動機試車臺需增加零扭矩試驗裝置，它由后驅動裝置、超越離合器箱組成，后驅動裝置為零扭矩試驗裝置的關鍵設備，需具備可空轉、轉速高（零扭矩試驗在發(fā)動機地面慢車和空中慢車狀態(tài)下進行）、轉動慣量小、功率變化快、工作穩(wěn)定可靠、轉速及扭矩控制精度高、響應速度快的特點，通過調研，空氣渦輪系統(tǒng)和變頻調速系統(tǒng)都可以滿足使用要求，經綜合比較，變頻調速方案更為經濟、簡單、可靠。本文介紹了渦軸發(fā)動機試車臺零扭矩試驗的工作原理及試驗驗證方法，詳細介紹了以變頻電機為動力的后驅動裝置，包括其設備組成、選型設計、控制原理、自動控制系統(tǒng)的控制邏輯／人機界面、安全措施。

1 零扭矩試驗的工作原理

在常規(guī)的渦軸發(fā)動機試車臺中，發(fā)動機作為動力與測功器直接相連，測功器是發(fā)動機的負載，用于測量發(fā)動機輸出扭矩并吸收發(fā)動機功率；零扭矩試驗裝置在試車臺的安裝見圖1，后驅動裝置安裝在測功器后作為后動力且其轉向與發(fā)動機相同，超越離合器箱安裝在測功器和發(fā)動機之間，通過超越離合器實現發(fā)動機與測功器的離合（也就是發(fā)動機與負載的離合），從而實現零扭矩試驗的目的。

水力測功器是渦軸試車臺常用的測功器，它具有位置控制、扭矩控制和轉速控制模式，通過對進水閥門和排水閥門實時聯(lián)動控制，從而可精確控制發(fā)動機負載。在進行零扭矩試驗時，測功器處于閥門位置控制模式，閥門位置不變讓負載恒定，首先在變頻電機未工作的情況下起動發(fā)動機，使發(fā)動機處于地面慢車（或空中慢車）狀態(tài)穩(wěn)定工作一段時間（約5 min），此時超越離合器箱、測功器、后驅動裝置由發(fā)動機帶轉；接著啟動變頻電機，后驅動裝置采用扭矩控制模式逐漸增加輸出扭矩，因負載恒定，則發(fā)動機的輸出扭矩會逐漸減小；發(fā)動機輸出扭矩減小過程中，其動力渦輪輸出轉速因受控制器的自動控制而保持不變，只是燃氣渦輪轉速逐漸降低，直至發(fā)動機的燃氣渦輪轉速降低到所選狀態(tài)的最低限制值，然后繼續(xù)增大后驅動裝置的輸出扭矩，測功器轉速開始升高，在離合器兩端產生轉速差，超越離合器分離，從而使發(fā)動機和測功器脫開，發(fā)動機在維持自身轉子和超越離合器靠輸入端轉子的最小功率下工作，實現理論上的零扭矩輸出運轉。

圖1 零扭矩試驗裝置在試車臺的安裝

2 后驅動裝置設備組成

后驅動裝置主要由驅動電機、增速箱（包括潤滑系統(tǒng)、傳感器）、變頻控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)組成，具體見圖2。因發(fā)動機輸出轉速高于驅動電機轉速，在驅動電機和測功器之間增加增速箱以滿足轉速要求，在驅動電機輸出軸上安裝扭矩傳感器，用于扭矩測量和閉環(huán)控制。為方便設備安裝，將驅動電機和增速箱安裝在同一底座上，同時在底座上設計一套潤滑系統(tǒng)對增速箱齒輪和軸承進行潤滑和冷卻。

圖2 后驅動裝置的組成

3 后驅動裝置的設備選型

驅動電機與增速箱功率根據試驗負載確定，并留有一定裕量；驅動電機選用德國工廠生產的籠型異步變頻電機，強制風冷，具有高速和小轉動慣量的特點，轉速高可降低增速箱的變比，轉動慣量小，可使系統(tǒng)響應更快；變頻電機配置脈沖編碼器，用于轉速測量和閉環(huán)控制。增速箱為非標產品，增速比由發(fā)動機的空中慢車轉速和變頻電機轉速確定，并留有一定裕量。扭矩傳感器采用德國GIF產品，測量精度為0.05%。

變頻控制系統(tǒng)采用ABB公司最新一代ACS800［1］系列全數字交流變頻器，額定電壓為400 VAC，功率和變頻電機匹配，采用直接轉矩控制技術（DTC）［2］和扭矩／轉速雙閉環(huán)控制方式，具有轉速控制精度高，動態(tài)響應快的特點，轉速動態(tài)精度為0.1%，靜態(tài)精度為0.01%；動態(tài)轉矩階躍響應時間＜5 ms。變頻控制系統(tǒng)配置EMC進線濾波器、du／dt輸出濾波器，可有效抑制電源、電磁、線路等干擾，使傳動控制系統(tǒng)符合EN61800－3標準第一類環(huán)境傳導輻射限制，盡量減少對車臺測控系統(tǒng)的電磁干擾，并最大限度地減少對變頻電機的絕緣損壞。變頻控制系統(tǒng)還配置了空間加熱器并能根據濕度情況進行自動控制，確保系統(tǒng)運行更可靠。

自動控制系統(tǒng)包括工控機和PLC控制柜，工控機為主控系統(tǒng)，PLC控制柜主要由西門子的電源模塊、S7－300型PLC、模擬量輸入模塊、開關量輸入／輸出模塊以及施耐德的低壓電器等組成。通過工控機和PLC的監(jiān)控程序實現對潤滑油溫／油壓、軸承及變頻電機繞組溫度進行監(jiān)視，并實現對潤滑油泵、冷卻風機、變頻控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制和安全保護功能。

4 后驅動裝置控制原理

后驅動裝置使用變頻電機作為動力，采用變頻調速和遠程通訊網絡技術，通過兩級網絡將后驅動裝置和主控系統(tǒng)聯(lián)為一體。自動控制系統(tǒng)以可編程控制器為核心，采用開放式的網絡結構，使網絡信息透明、易于擴展。網絡控制包括PLC和變頻控制系統(tǒng)的設備網（現場控制總線Profibus－DP）、PLC與工控機的監(jiān)控網 （工業(yè)以太網Industrial Ethernet）以及工控機與數采計算機的監(jiān)視網（工業(yè)以太網Industrial Ethernet），工控機以偵聽模式將需要的數據傳輸到數據采集系統(tǒng)，既可實現后驅動自動控制系統(tǒng)的獨立性，又保證的了數據采集系統(tǒng)的網絡安全性。

后驅動裝置采用遠程操作方式，具有自動和手動控制功能，以及恒轉速和恒扭矩控制模式，可方便地實現控制功能和控制模式的轉換。試驗時，先根據試驗內容在工控機的人機界面上選擇轉速控制模式或扭矩控制模式，設定相應目標參數，起動變頻控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)通過比較給定值和反饋值實時向變頻控制系統(tǒng)發(fā)送指令，變頻控制系統(tǒng)不停調節(jié)和控制變頻電機使轉速或轉矩達到且穩(wěn)定在給定值，從而實現轉速或扭矩的精確控制。

5 自動控制系統(tǒng)控制邏輯設計

后驅動裝置控制邏輯見圖3。超越離合器處于嚙合狀態(tài)時，后驅動裝置始終處于扭矩控制，試驗臺的轉速即為發(fā)動機動力渦輪轉速，后驅動裝置僅提供預設定的扭矩。接到超越命令后，手動或自動增加后驅動裝置的輸出扭矩，在負載不變的情況下，發(fā)動機的輸出扭矩會逐漸減小，直至其輸出扭矩僅能維持自身轉子和超越離合器靠輸入端轉子工作的最小扭矩，然后繼續(xù)增加后驅動裝置的輸出扭矩，測功器在后驅動裝置的驅動下繼續(xù)升速，在達到預先設定的轉速時，后驅動裝置自動由扭矩控制轉換成速度閉環(huán)控制，測功器穩(wěn)定運行在設定轉速，完成一次超越試驗。

超越試驗完成后，可手動或按程序減少后驅動裝置的扭矩輸出，此時，后驅動裝置自動由轉速控制轉換成扭矩控制，測功器轉速逐漸降低，直至超越離合器重新嚙合，繼續(xù)減小后驅動裝置輸出扭矩至空載扭矩或零扭矩。后驅動裝置除在離合器脫開之后到達設定轉速點是轉速閉環(huán)控制（起到轉速限制、保護作用），其它工作狀態(tài)均為扭矩控制，不會對發(fā)動機轉速控制產生影響。

6 自動控制系統(tǒng)人機界面設計

控制系統(tǒng)人機界面采用Labview［3］軟件制作，為使試驗方便，控制系統(tǒng)可設置并記憶多個轉速或扭矩工作狀態(tài)，具體見圖4，改變工作狀態(tài)時，可以快速從一個狀態(tài)到達另一個工作狀態(tài)。每個工作狀態(tài)對應3個參數：起始值、過渡時間和終止值，3個參數值均可設定；對應的狀態(tài)位為“1”時，該組參數有效，有且僅有一組有效，后者優(yōu)先。比如從50%的扭矩快速到達75%的扭矩，且轉換時間可以在（5－180）秒之間進行設定。參數組可根據需要設置8組、16組……，各工作狀態(tài)可自由切換，控制方便靈活。且轉換時間可以在（5－180）秒之間進行設定。參數組可根據需要設置8組、16組……，各工作狀態(tài)可自由切換，控制方便靈活。

圖3 控制邏輯

圖4 人機界面

7 后驅動裝置安全措施

后驅動裝置主要從設備選型及配置、電纜選型及敷設、接地、控制／聯(lián)鎖／報警／保護等方面確保發(fā)動機、設備、電氣系統(tǒng)及試車臺數據采集系統(tǒng)等安全可靠運行。

7.1 設備選型及配置

變頻控制系統(tǒng)采用ABB公司最新一代ACS800系列全數字交流變頻器，變頻柜的防護等級為IP21，遵循電氣設備設計規(guī)范，結構布局合理。柜體內設置接地裝置，柜門配置緊急停止按鈕和電氣聯(lián)鎖裝置，確保設備和人身安全；變頻器具有電機堵轉、電機缺相、電機超溫、電機超速、電機欠載、電機過載、變頻器過流、直流母線過壓、電網欠壓、整流模塊短路、充電故障、逆變器短路、逆變器溫度、測量信號丟失、通訊故障、接地故障、通訊故障、電機辨識、操作系統(tǒng)故障、電源缺相等標準保護功能.當變頻調速系統(tǒng)出現以上任一故障時，變頻調速系統(tǒng)會自動保護跳閘或在變頻器操作屏上報警提示。

變頻柜整流單元增加了EMC濾波器；傳動單元增加配置du／dt輸出濾波器；使傳動控制系統(tǒng)部件符合EN61800－3標準第一類環(huán)境傳導輻射限制，使變頻系統(tǒng)不需要中間變壓器而可直接連接到為民用設施供電的低壓電網，對車臺測控系統(tǒng)的電磁干擾小，并可最大限度地減小對變頻電機的絕緣損壞。

變頻柜內配置空間加熱器。具有凝露檢測、報警功能，并且能對空間加熱器進行自動控制：變頻器運行時，空間加熱器自動停止工作；變頻器通電而不運轉時，根據濕度情況自動控制加熱器的起動／停止，使交流變頻器不會出現結露現象。

驅動電機選用強制風冷變頻電機，配置脈沖編碼器、定子繞組和軸承溫度傳感器，確保運行更安全和控制更精確。

7.2 電纜選型及敷設

為最大限度地減小電磁干擾，動力電纜選用變頻專用VVRP屏蔽軟電纜，控制電纜選用KVVRP屏蔽軟電纜，變頻柜內選用光纖電纜，設備網選用Profibus－DP專用電纜，監(jiān)控網及監(jiān)視網選用分對雙絞屏蔽軟電纜。

強電電纜、控制電纜、通訊電纜分開敷設，盡量保證安全距離。

7.3 接地

為有效抑制干擾（電源干擾、電磁干擾、線路干擾等），試車臺設置系統(tǒng)安全地（PE）、測試地兩類接地系統(tǒng)，確保設備、電氣、數據采集系統(tǒng)安全可靠運行。接地電阻要求：安全地：≤1.0Ω；測試地：≤0.4Ω。

7.4 控制／聯(lián)鎖／報警／保護

后驅動裝置只有在離合器脫開之后到達設定轉速點是轉速閉環(huán)控制，其它工作狀態(tài)均為扭矩控制，既可起到轉速限制、保護作用，又不會對發(fā)動機轉速控制產生影響。

變頻電機冷卻風機工作正常，變頻電機定子繞組溫度參數正常，且潤滑冷卻水壓、油壓、油溫、軸承溫度參數正常后，方能起動變頻電機。系統(tǒng)具有水壓／油壓低、軸承及滑油超溫保護功能。

控制系統(tǒng)檢測到變頻電機轉速（包括變頻電機啟動時驅動轉速和未啟動時被動轉速）就自動啟動潤滑油泵和冷卻風機，如果未能啟動則報警顯示。

操作臺設置急停按鈕。用于緊急狀態(tài)分斷后驅動裝置主電源，后驅動裝置自由停車。

操作臺工控機上能全面監(jiān)控后驅動裝置的狀態(tài)，并且后驅動裝還能提供報警信號給電氣系統(tǒng)進行實時聲光報警。緊急情況下試車臺電氣系統(tǒng)提供保護停車信號讓后驅動裝置停車。為防止誤操作，人機界面的控件需要雙擊才能起作用。

8 零扭矩試驗

8.1 后驅動裝置靜態(tài)調試

后驅動裝置在安裝后，進行了靜態(tài)調試，包括潤滑系統(tǒng)調試、電氣控制調試，控制軟件測試，測試通道檢查及數據采集校準。待潤滑系統(tǒng)、電氣控制、網絡通訊、監(jiān)控程序、數據采集、聯(lián)鎖保護／報警／緊急停車等功能都正?？煽亢?，后驅動裝置轉入運轉調試。

8.2 后驅動裝置運轉調試

在靜態(tài)調試完成后，后驅動裝置進行了空載試驗、后驅動裝置與測功器的聯(lián)合調試、后驅動裝置與測功器及超越離合器箱的聯(lián)合調試。確保后驅動裝置、測功器及超越離合器箱工作良好，設備振動、軸承溫度均在限制范圍內，控制程序合理可靠，參數設置和采集正常、聯(lián)鎖控制及報警保護功能正常。

8.3 零扭矩試驗驗證

經過運轉調試工作正常后，后驅動裝置、測功器、超越離合器箱聯(lián)合，并和發(fā)動機連接，即可進行零扭矩試驗。零扭矩試驗在地面慢車或空中慢車狀態(tài)下進行，現以空中慢車狀態(tài)的零扭矩試驗舉例描述。試驗時測功器負載設置恒定，起動發(fā)動機經地面慢車運行并上推空中慢車狀態(tài)運行3分鐘后進行零扭矩試驗。啟動后驅動裝置，緩慢增大后驅動扭矩，發(fā)動機輸出扭矩逐步減小，直至超越離合器脫開，發(fā)動機實現零扭矩輸出，此時發(fā)動機燃氣渦輪轉速從空慢最初的84.2%下降到了70.2%，發(fā)動機輸出軸轉速保持91%不變，后驅動裝置轉速由83%增大到90%，零扭矩狀態(tài)運行1分鐘后緩慢減小后驅動裝置扭矩直至為0，發(fā)動機恢復到初始狀態(tài)。在整個試驗過程中發(fā)動機和設備無任何異常反應，各測量參數無明顯變化，零扭矩試驗成功。零扭矩試驗過程曲線見圖5，因發(fā)動機輸出軸與超越離合器箱靠輸入端轉子以發(fā)動機輸出軸轉速繼續(xù)運轉，存在功耗，因此發(fā)動機實際存在一定的扭矩。

圖5 零扭矩試驗過程曲線

9 結束語

后驅動裝置采用工作穩(wěn)定、標準、成熟且經過工業(yè)現場運行考驗的控制技術和手段，經試驗驗證設備結構和選型合理，工作良好，設備振動、軸承溫度均在限制范圍內，電磁干擾小，控制系統(tǒng)和試車臺數據采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、人機界面方便美觀、控制精度高、響應速度快、監(jiān)控和安全保護措施完善，滿足了渦軸發(fā)動機對零扭矩試驗的功能要求，實現了渦軸發(fā)動機試車臺零扭矩試驗零的突破，填補了國內空白。

［1］ABB工業(yè)傳動ACS800多傳動，1.5k W－5600k W技術樣本［Z］.2009.

［2］李 夙.異步電動機直接轉矩控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［3］陳樹學.Lab VIEW實用工具詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Design of Control System Based on Post Drive Device

He Ping1，Zhang Junbao2，Liu Haihua1，Su Haitao1

（1.AVIC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China；2.Tianjin Design and Research Institute of Electric Drive，Tianjin 300180，China）

In order to simulate the situation of turbo shaft engine in the process of double engine matching or spinning down and realize the zero torque test on ground test bed of turbo shaft engine，we designed a post drive unit control system based on frequency speed control.The system takes high speedy motor as power，realizes constant speed and torque control through ACS800 frequency converters，takes Siemens S7－300 PLC as the control core and Labview as the visualization monitoring software，adopts Profibus－DP and Industrial Ethernet two－stage－open network structure，it better realizes the control function of zero torque test.The experimental results show that the selection of the device is reasonable，control system operation is stable and reliable，control precision is high，response is fast，HMI is friendly，monitoring and safety precautions are perfect，to meet the requirement of the engine zero torque test and realize the zero torque test of the test bed of the turbine shaft engine，which fills the gap in the domestic black.

turbine shaft engine test bench；zero torque test；rear drive unit；control system

1671-4598（2016）08-0244-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.067

：TP273

：A

2016-04-29；

：2016-05-23。

何 萍（1967-），女，湖南新邵人，高級工程師，主要從事發(fā)動機試車臺電氣控制和變頻調速系統(tǒng)應用方面的研究工作。