電機(jī)負(fù)荷模擬液壓裝置設(shè)計與控制研究

王成長

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132000）

隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)的性能也在不斷提升。相對傳統(tǒng)的動力設(shè)備，電機(jī)的特點是：結(jié)構(gòu)較為簡單，維修方便，功率覆蓋范圍廣、輸出轉(zhuǎn)矩大，并且電機(jī)的種類非常多，例如,直流電機(jī)、交流電機(jī)、同步電機(jī)、異步電機(jī)等，所以電機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域也比較廣，能夠用于傳動設(shè)備、信息處理設(shè)備、交通運(yùn)輸設(shè)備、家電設(shè)備等。當(dāng)電機(jī)工作時，在不同的工況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，承受的載荷不同，所以電機(jī)的工作性能會產(chǎn)生變化。為了保障電機(jī)良好的工作性能，在機(jī)電設(shè)備研發(fā)階段，需要對電機(jī)進(jìn)行性能測試，涉及電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)速、空載電流、負(fù)載電流、電機(jī)功率、電機(jī)負(fù)載力矩等?？紤]到電機(jī)的耐久性，不僅要求電機(jī)在不同工況下精準(zhǔn)的切換工作狀態(tài)，并且使得電機(jī)長時間在不同工況下運(yùn)行，如果將電機(jī)放在實際使用的設(shè)備中進(jìn)行測試，不僅要考慮電機(jī)，還要考慮其他零部件的可靠性及使用環(huán)境，并且還會使用到其他附加設(shè)備，使得測試過程繁雜、測試投入增多，測試條件受到嚴(yán)重制約，因此，需要設(shè)計電機(jī)性能模擬裝置，尤其是電機(jī)負(fù)荷模擬裝置，并且能夠控制電機(jī)負(fù)荷，模擬電機(jī)在設(shè)備中運(yùn)行的全部狀態(tài)，提升電機(jī)的測試效果。

1 電機(jī)負(fù)荷模擬液壓裝置設(shè)計

進(jìn)行電機(jī)負(fù)荷模擬液壓裝置設(shè)計時，需要考慮電機(jī)的負(fù)載特性，模擬的負(fù)載具備高頻特征，在搭建模擬裝置時，電液系統(tǒng)是最合適的。為了模擬各類電機(jī)的負(fù)載性，裝置在慣性負(fù)載存在的情況下，通過調(diào)整角加速度的變化來改變負(fù)載，所以需要對模擬裝置進(jìn)行控制。

該裝置主要由電動機(jī)、電液控制閥、液壓泵、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、壓力表等部件組成。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)負(fù)荷模擬液壓裝置結(jié)構(gòu)示意

其中電動機(jī)作為液壓裝置的動力來源，電動機(jī)連接電液控制閥，電液控制閥為液壓泵的一部分，液壓泵連接聯(lián)軸器，同時，液壓泵上帶有壓力表，便于查看液壓泵的壓力，聯(lián)軸器連接被測電機(jī)，同時，聯(lián)軸器上裝有扭矩傳感器，用于監(jiān)測電機(jī)測試過程中負(fù)荷的實時變化。

當(dāng)電機(jī)進(jìn)行測試時，系統(tǒng)通過控制電液控制閥，調(diào)節(jié)液壓泵的壓力，從而控制對測試電機(jī)施加不同的負(fù)載。電液控制閥安裝在液壓泵上，液壓泵主要包括主泵、主泵溢流閥、電液控制閥、換向閥、液壓分泵、單向閥、補(bǔ)油泵以及補(bǔ)油泵溢流閥。

電液控制閥依照輸入的信號，對油液走向、閥口大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此使得液壓分泵的輸出方向、力矩得以控制；換向閥的作用是對液壓分泵的工作狀態(tài)進(jìn)行選擇，還有另一個功能，主要是防止補(bǔ)油泵油液直接流回油箱導(dǎo)致液壓分泵吸空。系統(tǒng)中各個電磁鐵通電不同，液壓系統(tǒng)實現(xiàn)的功能也存在差異，液壓系統(tǒng)若是進(jìn)入馬達(dá)狀態(tài)，那么便會增加電機(jī)的扭矩壓力，以此使得電動機(jī)得以轉(zhuǎn)動；若是處于泵狀態(tài)，主泵中的流量則會直接通過閥，之后再返回到油箱中，此時不再做功，整個系統(tǒng)可以依照對節(jié)流口的壓差、伺服閥節(jié)流口的調(diào)節(jié)，來對電機(jī)的扭矩進(jìn)行調(diào)整，這是一種被動加載。液壓泵的液壓結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 液壓泵的液壓結(jié)構(gòu)圖示意

電動機(jī)、液壓分泵在液壓裝置中，會模擬各種負(fù)載，進(jìn)而產(chǎn)生不同的作用。液壓系統(tǒng)若在模擬電機(jī)性負(fù)載時，那么，便需對電機(jī)做正功，這一過程中離不開液壓系統(tǒng)對電動機(jī)的驅(qū)動，以此促進(jìn)電動機(jī)速度的增加；系統(tǒng)若模擬的是電機(jī)正弦負(fù)載，那么主液壓泵的輸出液壓油，會直接流回到油箱中，但不繼續(xù)做功，此時，液壓分泵會充當(dāng)泵的作用，電機(jī)會促進(jìn)泵的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，泵出口的液壓油在調(diào)節(jié)節(jié)流口、伺服閥節(jié)流口的作用下，使得加載在電機(jī)上的負(fù)載扭矩得以控制。

在構(gòu)建電液控制閥控液壓泵的數(shù)學(xué)模型時，如液壓泵在起作用，那么，被測試的電動機(jī)便成為動力元件，進(jìn)而繼續(xù)促進(jìn)液壓泵的運(yùn)動，泵出油在電液對閥節(jié)流的控制作用下，同時，對電液控制閥的閥芯進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬了電機(jī)上高低頻正弦力矩的增加情況。因為液壓系統(tǒng)所模擬的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生的變化較為劇烈，液壓系統(tǒng)形成的沖擊作用較大。因此，在建立液壓泵模型的過程中，應(yīng)對其中的彈性模量加以注重，液壓泵的涉及的基本公式為：

通過對公式2進(jìn)行求解，可以得出泵加載到電機(jī)上的負(fù)載扭矩，如下列公式所示：

式中，代表液壓泵的輸出量，代表泵的排量，代表泵的角速度，代表泵的泄露系數(shù)，代表泵輸出油壓，代表泵到電液控制閥之間的總?cè)莘e，代表泵至電液控制閥之間的彈性模模量，s代表傳遞函數(shù)中的微分因子。

液壓裝置為了達(dá)到全閉環(huán)狀態(tài)，在液壓系統(tǒng)、電機(jī)軸的連接處，增加一個轉(zhuǎn)矩傳感器元件，進(jìn)而及時將液壓裝置輸出的扭矩情況，進(jìn)行反饋；通過輸入信號、輸出信號之間產(chǎn)生的差，便可以得到系統(tǒng)在輸出中形成的誤差。在對液壓控制系統(tǒng)實施控制時，均是依照誤差情況，來對系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的，這樣可以使得系統(tǒng)中的輸出性能，逐步得到優(yōu)化、改善。與此同時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會給系統(tǒng)的控制帶來一定的影響。所以，為了使得系統(tǒng)的精度性得到保障，應(yīng)在電機(jī)軸處增加一個即轉(zhuǎn)速傳感器，以此使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況可以得到實時的反饋。同時，由于轉(zhuǎn)速、扭矩兩種傳感器的頻率較高，均高于系統(tǒng)產(chǎn)生的工作頻率，所以可以認(rèn)為其是一個比例的環(huán)節(jié)。由此可以推出下列公式：

式中，UT代表轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓，UW代表轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓，K2代表轉(zhuǎn)矩傳感器增益，K3代表轉(zhuǎn)速傳感器增益。

2 電機(jī)負(fù)荷模擬裝置的控制

當(dāng)液壓裝置中的液壓泵工作時，負(fù)載模擬系統(tǒng)模擬的是電機(jī)工況中的高低頻正弦沖擊負(fù)載。由于與高頻負(fù)載有一定關(guān)系，因此，液壓系統(tǒng)在進(jìn)行模擬的過程中，可能會產(chǎn)生一定的相位誤差、幅值誤差，所以控制方式采用PID 閉環(huán)方式控制。

閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出信號，可以在反饋的作用下，到達(dá)輸入端，這一系統(tǒng)相比開環(huán)系統(tǒng)來說，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、精確度。閉環(huán)系統(tǒng)涵蓋了全閉環(huán)、半閉環(huán)兩種控制系統(tǒng)。前者反饋信號的引出，是直接來自系統(tǒng)的輸出端，這一系統(tǒng)可以避免參數(shù)變化帶來的信號干擾，所以其特點是精度較高。后者反饋信號的引出是直接來自系統(tǒng)的輸出端，反饋的信號可能會由于系統(tǒng)參數(shù)的改變、干擾等，導(dǎo)致反饋精度的不斷下降，本系統(tǒng)運(yùn)用的是全閉環(huán)的方式，來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

依照PID控制原理，轉(zhuǎn)矩傳感器可以視作為比例環(huán)節(jié)，同時，系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)能夠為輸出提升相應(yīng)的增益系數(shù)，進(jìn)而使得系統(tǒng)的輸入端可以直接得到反饋，得到圖3所示原理框圖。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

為了能夠精準(zhǔn)控制和實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)功能，運(yùn)用模糊PID控制器作為裝置控制的方式。模糊PID控制在模糊理論中，是依照偏差值來實現(xiàn)對PID參數(shù)調(diào)節(jié)的效果，進(jìn)而使得控制體系得到優(yōu)化。

模糊PID控制器的設(shè)計程序是：第一，常規(guī)PID設(shè)計、確定初始參數(shù)；第二，對模糊控制器的輸入輸出、變量的確定；第三，對模糊控制器的規(guī)則進(jìn)行設(shè)計；第四，對模糊控制器清晰化、模糊化方式的確定。

模糊PID控制系統(tǒng)的構(gòu)成是：PID模塊、模糊控制模塊等，其中前者是在系統(tǒng)的偏差作用下，以PID模塊參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)整效果的。模糊PID控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 模糊PID控制系統(tǒng)原理框圖

3 裝置控制仿真分析

為了驗證電機(jī)負(fù)荷模擬液壓裝置的功能是否正常，需要對液壓裝置進(jìn)行仿真模擬以及試驗驗證。對電機(jī)負(fù)荷模擬采用Matlab軟件中的simulink模塊進(jìn)行建模并分析。在Matlab軟件中進(jìn)行環(huán)境設(shè)置時，選取電壓式電動機(jī)，以轉(zhuǎn)速作為電機(jī)的輸入?yún)?shù)。電機(jī)其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

通過該仿真可以看到，在電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時，扭矩隨著時間的變化情況，設(shè)定在某個情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100rad/s，通過將目標(biāo)扭矩和時間的變化情況以正弦信號輸入模擬模型，通過仿真后，輸出裝置運(yùn)行后被測電機(jī)的扭矩和時間變化曲線，如輸出結(jié)果和輸入波形越貼近，則表明裝置的控制程度越好。

通過將目標(biāo)正弦信號輸入后，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

圖5為被測電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后的仿真結(jié)果，其中藍(lán)色為輸入信號，紅色為輸出信號，從模擬結(jié)果看，輸入和輸出信號的波形基本一致，說明PID控制系統(tǒng)在輸出穩(wěn)定時對輸入信號的跟蹤效果比較好，進(jìn)一步說明使用PID控制能夠滿足測試需求。

4 結(jié)語

本文針對機(jī)電設(shè)備研發(fā)階段，滿足電機(jī)性能測試的要求，同時，需要滿足電機(jī)在工作過程中，具有充分的精確性、可靠性，并建立了電機(jī)負(fù)載的模擬裝置。這一裝置主要由電動機(jī)、電液控制閥、液壓泵、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、壓力表等部件組成，并對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了模型建立。并對裝置的控制進(jìn)行了研究。利用PID控制方式，完成了負(fù)載模擬數(shù)學(xué)模型的建立，與此同時，運(yùn)用Matlab軟件來實現(xiàn)仿真。所得結(jié)果為：在進(jìn)行正弦負(fù)載的模擬過程中，PID控制效果較好，滿足裝置對電機(jī)的測試需求。