CN104122035B - 一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统及其控制方法，提供转矩传感器测量输入轴的驱动转矩并采集驱动转矩信号，通过台架控制器根据设定的负载转矩和转动惯量以及驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩，向电机直接转矩控制器发送负载电机目标转矩命令，通过电机直接转矩控制器接收负载电机目标转矩命令并控制负载电机输出相应的扭矩。本发明以转矩作为控制目标，避免了加速度的计算误差对控制精度的影响；无需根据不同台架控制器来调整控制参数，使用简单，动态响应性能更好；能对台架控制器运行工况进行冗余监测，提高台架的可靠性。

Description

一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统及其控制方法

技术领域

本发明属于测试仪器领域，尤其涉及一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统及其控制方法。

背景技术

在机械传动试验台中，惯性飞轮是一种常用的设备，如制动器试验台、汽车传动系统试验台等都需要惯性飞轮。不同的试验场合需要不同的转动惯量，但加工好的惯性飞轮的转动惯量已经固定，不可调节，为了满足不同转动惯量的需要，可以采用多个不同转动惯量的飞轮，即飞轮组，组合成所需的转动惯量。但是飞轮组价格昂贵，重量大，对动平衡要求高，给试验台的安装带来不便，且存在高速转动时的安全隐患。随着电机控制技术的发展，机械惯量电模拟的方法被提出，采用电机的驱动力矩和加载力矩来模拟飞轮惯性力矩。以制动器实验台为例，采用小飞轮代替原来的大飞轮，驱动电机在制动过程中继续提供驱动力矩，弥补小飞轮的惯量力矩与大飞轮的惯性力矩之间的差值。再如，在车辆传动试验台中，取消飞轮，负载电机模拟行驶阻力和整车惯量。目前，转动惯量电模拟的实现方法是列出传动系统的动力学方程，计算出目标加速度，通过对电机的双闭环控制来跟踪目标加速度，即实现与安装转动惯量时相同的加速度。但该方法存在几个问题：(1)由于加速度是转速的微分，对转速测量误差具有放大作用，而该方法以加速度作为控制目标，不利于提高控制精度，也增加了控制难度；(2)双闭环控制中的控制算法需要根据不同的传动台架来调整控制参数，使用不便；(3)由于采用闭环控制，动态响应、超调量、稳定时间等指标往往存在矛盾，只能采取折中处理，牺牲转动惯量电模拟的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，旨在解决现有技术中的模拟装置使用复杂、动态响应性能差，需采用双闭环控制以及调整控制参数，而且依赖于加速度的计算误差的问题。

本发明的另一目的在于提供上述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法。

本发明是这样实现的，一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，包括模拟装置，所述模拟装置包括：输入轴，转矩传感器，飞轮，负载电机，根据设定的负载转矩和转动惯量、采集到的驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩的台架控制器，根据接收到的转矩命令控制负载电机输出相应的扭矩的电机直接转矩控制器；其中，

所述输入轴上依次设有转矩传感器、飞轮、负载电机；所述转矩传感器、台架控制器、电机直接转矩控制器以及负载电机依次信号线连接；所述电机直接转矩控制器与负载电机之间电气连接。

优选地，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统还包括冗余监测系统，所述冗余监测系统在所述模拟系统原有装置的基础上还包括转速传感器，所述转速传感器设于输入轴上，且所述转速传感器与台架控制器信号连接。

优选地，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统还包括精度校准系统，所述精度校准系统在包括冗余监测系统中除飞轮、台架控制器外的其他装置的基础上还包括：驱动电机，驱动电机控制器，给驱动电机控制器发送转速命令、给电机直接转矩控制器发送转矩命令、读取转速传感器和转矩传感器信号的上位机；其中，

所述转速传感器、转矩传感器、驱动电机控制器、电机直接转矩控制器均与上位机信号连接，驱动电机控制器与驱动电机之间包括信号连接和电气连接，电机直接转矩控制器与负载电机之间包括信号连接和电气连接。

本发明进一步提供了上述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、测量输入轴的驱动转矩并采集驱动转矩信号；

S2、通过台架控制器根据设定的负载转矩和转动惯量以及驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩，向电机直接转矩控制器发送负载电机目标转矩命令；

S3、通过电机直接转矩控制器接收负载电机目标转矩命令并控制负载电机输出相应的扭矩。

优选地，在步骤S3之前还包括：

S30、给电机直接转矩控制器提供准确的电机模型参数，或者通过电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准。

优选地，在步骤S30中，所述通过电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准包括以下具体过程：

(1)上位机将驱动电机控制器设置为转速控制模式，设置驱动电机的工作转速，即台架的工作转速；

(2)上位机通过电机直接转矩控制器设置负载电机的输出扭矩，并等待运行稳定；

(3)读取传感器测量的实际转速和转矩；

(4)比较设定转矩和实际转矩的误差，得到电机直接转矩控制器的修正系数；

(5)重复设置不同的转速和转矩，得到修正系数表；

(6)将修正系数表输入电机直接转矩控制器的转矩控制参数，补偿原控制误差。

优选地，在步骤S3之后还包括：

S4、通过转速传感器对模拟装置的运行状态进行冗余监测。

优选地，所述步骤S4包括以下具体过程：

(1)读取转速传感器的转速，计算实际加速度以及理论加速度；

(2)将实际加速度与理论加速度之间差值与误差允许值比较，如果超出允许误差，且持续时间超过允许时间，做误差报警处理，在允许误差内则继续运行。

优选地，在步骤S2中，所述负载电机目标转矩的计算公式为：

$T_m=(1-\frac{J_s+J_m}{J_r})T_d+\frac{J_s+J_m}{J_r}{T}_r$

式中，T_m为负载电机目标转矩，T_r为负载转矩，T_d为驱动转矩，J_s为飞轮转动惯量，J_m为负载电机转动惯量，J_r为负载转动惯量。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)常规方法以加速度作为控制目标，而计算加速度对转速测量误差比较敏感，本发明以转矩作为控制目标，避免了加速度的计算误差对控制精度的影响；

(2)常规方法采用双闭环控制，其中的转速控制算法需要根据不同的传动台架来调整控制参数，使用不便，而本发明采用直接转矩控制方式，台架控制器采用开环控制，直接将目标转矩命令发送给电机直接转矩控制器，无需根据不同台架控制器来调整控制参数，使用简单，动态响应性能更好；

(3)本发明的控制流程中只采集驱动转矩传感器信号，转速信号不是必须的信号，如果台架控制器上有转速传感器，可用来计算加速度，并与理论加速度进行比较，对台架控制器运行工况进行冗余监测，提高台架的可靠性。

附图说明

图1是本发明直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统中模拟系统的工作状态示意图；

图2是本发明直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的简化工作流程示意图；

图3是本发明直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统中冗余监测系统的工作状态示意图；

图4是本发明直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统中精度校准系统的工作状态示意图；

图5是本发明直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法的步骤流程图；

图6是实际工况的受力简图；

图7是模拟工况的受力简图；

图8是台架控制器工作流程图；

图9是冗余监测的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，如图1所示，包括模拟装置，所述模拟装置包括输入轴，转矩传感器，飞轮，负载电机，根据设定的负载转矩和转动惯量、采集到的驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩的台架控制器，根据接收到的负载电机目标转矩命令控制负载电机输出相应的扭矩的电机直接转矩控制器；其中，所述输入轴上依次设有转矩传感器、飞轮、负载电机；所述转矩传感器、台架控制器、电机直接转矩控制器以及负载电机依次信号线连接，所述电机直接转矩控制器与负载电机之间电气连接。

在本发明实施例中，模拟装置是传动系统试验台的一部分，如图2所示，用来模拟负载设备的负载转矩和转动惯量。驱动设备是实际台架的动力源，比如建立汽车传动系统试验台，驱动设备是汽车发动机，另外还根据实际测试对象安装变速箱、制动器等。模拟系统的飞轮的转动惯量小于实际系统的飞轮。

在本发明实施例中，采用更小惯量的飞轮代替原来的飞轮，采用电机直接转矩控制器代替原来的电机双闭环转速控制器，取消转速传感器，安装转矩传感器。

在本发明实施例中，首先明确该模拟系统(如图1所示)的设计技术指标，包括：输入轴的最大输入转矩T_dmax和最高转速n_dmax；能够模拟的最大负载功率P_rmax、最大负载功率时的转速n_prmax、最大负载转矩T_rmax、最大转动惯量J_rmax。

1、转矩传感器选型：转矩量程大于输入轴的最大输入转矩、转矩测量精度满足模拟装置的精度要求、转矩传感器的最高允许工作转速大于等于输入轴的最高转速。

2、负载电机选型：选择工业标准变频电机具有较好的性价比，国际品牌包括ABB，西门子等，国内品牌包括北京的超同步、上海的富田等，电机规格要求包括：负载电机额定功率P_mmax大于或等于能够模拟的最大负载功率P_rmax，即P_mmax≥P_rmax，负载电机最高转速n_mmax大于等于输入轴最高转速n_dmax，即n_mmax≥n_dmax，负载电机的额定扭矩T_mmax大于等于即 式中J_s为飞轮转动惯量，J_m为电机转动惯量。

3、电机直接转矩控制器选型：选择ABB公司的ACS800系列变频器，有通讯控制接口和端子控制接口与台架控制器相连，接收台架控制器发出的目标转矩命令，并将变频器和电机的运行状态信息传递给台架控制器。

4、飞轮选型：飞轮采取定制加工，满足外形尺寸、转动惯量、最高转速的要求。外形尺寸方面，台架的中心高决定了飞轮的最大直径、台架的轴向尺寸决定了飞轮的最大厚度；转动惯量方面，需要与负载电机的选型相匹配，满足见负载电机选型；最高转速方面，由台架的最高转速决定，对飞轮的动平衡和轴承的选型提出了要求。

5、台架控制器选型：台架控制器的实施方式很多，可以采用工业控制计算机，也可以采用嵌入式控制器。这里介绍采用工业控制计算机方式：工业控制计算机的主板插槽上安装数据采集卡和通信卡，数据采集卡用于采集扭矩传感器的信号，通信卡上的通信接口向电机直接转矩控制器发送目标转矩命令，数据采集卡和通信接口都可以作为设定负载转矩和转动惯量的接口。

在进一步的实施过程中，为了对模拟系统的运行状态进行冗余监测，在本发明实施例中，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统还包括冗余监测系统，如图3所示，所述冗余监测系统在所述模拟系统原有装置的基础上还包括转速传感器，所述转速传感器设于输入轴上，且所述转速传感器与台架控制器信号连接。加装转速传感器可以对模拟系统的运行状态进行冗余监测。

在进一步的实施过程中，为保证对台架控制精度的校准，在本发明实施例中，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，还包括精度校准系统，所述精度校准系统即为电机传动试验台，在包括冗余监测系统中除飞轮、台架控制器外的其他装置的基础上还包括：驱动电机、驱动电机控制器，给驱动电机控制器发送转速命令、给电机直接转矩控制器发送转矩命令、读取转矩传感器和转速传感器信号的上位机；如图4所示，更清楚描述为，所述电机传动试验台(精度校准系统)包括输入轴、转矩传感器、负载电机、电机直接转矩控制器、转速传感器、驱动电机控制器、上位机、驱动电机；其中，所述驱动电机的输入轴上依次设有转矩传感器、转速传感器、负载电机；所述转矩传感器、转速传感器与上位机信号线连接，所述上位机分别与驱动电机控制器、电机直接转矩控制器信号线连接，所述驱动电机控制器与驱动电机信号线连接和电气连接，所述电机直接转矩控制器和负载电机信号线连接和电气连接。

在本发明实施例中，各装置的选项具体为：

1、驱动电机选型：要求覆盖负载电机的工作范围，可采用与负载电机相同型号的电机。

2、驱动电机控制器选型：与驱动电机功率相匹配的变频器，具备转速控制模式(目前的工业变频器都有转速控制模式)。

3、转速传感器选型：一般采用磁电式转速传感器或者编码盘转速传感器。

4、上位机选型：采用工业控制计算机，如果台架控制器也采用的工业控制计算机，则上位机可以利用该计算机，但因为功能不同，上位机软件和台架控制器的软件不同。采集卡用于采集转速传感器和转矩传感器信号，通信口用于向驱动电机控制器发送转速命令，并向电机直接转矩控制器发送转矩命令。

本发明进一步提供上了上述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，通过图1所示的模拟系统进行模拟控制，如图5所示，包括以下步骤：

S1、测量输入轴的驱动转矩并采集驱动转矩信号

在步骤S1中，通过转矩传感器测量输入轴的驱动转矩并采集驱动转矩信号。

S2、通过台架控制器根据设定的负载转矩和转动惯量以及驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩，向电机直接转矩控制器发送负载电机目标转矩命令

在步骤S2中，通过台架控制器根据设定的负载转矩和转动惯量以及驱动转矩信号计算出所需负载电机转矩。其中，所需负载电机转矩的计算方法具体包括以下步骤：

如图6所示，图6为实际工况的受力简图，图中w_r为负载角速度，T_d为驱动转矩，T_r为负载转矩，J_r为负载转动惯量。实际工况的角加速度计算公式为

$\frac{{\mathrm{dw}}_r}{dt}=\frac{T_d-T_r}{J_r}---\left(1\right)$

如图7所示，图7为模拟工况的受力简图，图中w_m为负载角速度，T_d为驱动转矩，T_m为负载电机转矩，J_s为飞轮转动惯量，J_m为负载电机转动惯量。模拟工况的角加速度计算公式为

$\frac{{\mathrm{dw}}_m}{dt}=\frac{T_d-T_m}{J_s+J_m}---\left(2\right)$

要求模拟工况和实际工况具有相同的角加速度，即

$\frac{{\mathrm{dw}}_m}{dt}=\frac{{\mathrm{dw}}_r}{dt}---\left(3\right)$

由式(1)、(2)、(3)可推导出保证模拟工况与实际工况相同所需的负载电机转矩，即负载电机目标转矩为

$T_m=(1-\frac{J_s+J_m}{J_r})T_d+\frac{J_s+J_m}{J_r}{T}_r---\left(4\right)$

式(4)中没有包含角加速度信号，因此负载电机采取转矩控制方式，采用电机直接转矩控制器，目前的先进的变频器已经提供直接转矩控制功能，可作为本发明中的电机直接转矩控制器。

在步骤S2中，台架控制器的工作流程如图8所示，循环往复，每循环包括4步，其中第3步计算负载电机转矩控制目标采用公式(4)。

S3、通过电机直接转矩控制器接收负载电机目标转矩命令并控制负载电机输出相应的扭矩

在步骤S3中，通过电机直接转矩控制器接收负载电机目标转矩命令并控制负载电机输出相应的扭矩。在本发明实施例中，以转矩作为控制目标，避免了加速度的计算误差对控制精度的影响；采用直接转矩控制方式，台架控制器采用开环控制，直接将目标转矩命令发送给电机直接转矩控制器，无需根据不同台架控制器来调整控制参数，使用简单，动态响应性能更好。

在进一步的实施过程中，为了对模拟系统的运行状态进行冗余监测，在本发明实施例中，本发明的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法中，如图5所示，在步骤S3之后还包括：

S4、通过转速传感器对台架控制器的运行状态进行冗余监测

在步骤S4中，通过图3所示的冗余监测系统对模拟系统进行冗余监测，更具体的，如图9所示，包括以下具体过程：

(1)读取转速传感器的转速，计算实际加速度以及理论加速度；

(2)将实际加速度与理论加速度之间差值与允许误差比较，如果超出允许误差，且持续时间超过允许时间(持续超出允许误差的时间超过允许时间，比如连续10秒钟误差大于50rad/s²)，做误差报警处理，在允许误差内则继续运行。

在本发明实施例中，控制流程中只采集驱动转矩传感器信号，转速信号不是必须的信号，模拟系统上有转速传感器，可用来计算加速度，并与理论加速度进行比较，对模拟系统的运行工况进行冗余监测，提高模拟系统的可靠性。

说明：经常容易发生故障的设备为“扭矩传感器”和“电机直接转矩控制器”，其他设备都比较可靠。通过转速传感器(比较可靠，不容易坏)采集转速信号来获得加速度，比较理论值与实际值的误差，是用来验证扭矩传感器是否采集正确，或者电机直接转矩控制器是否出现故障，即是否准确实现了转矩控制目标。

在进一步的实施过程中，由于模拟系统的模拟精度取决于电机直接转矩控制器的控制精度，要提高控制精度，包括两个措施：(1)给电机直接转矩控制器提供准确的电机模型参数；(2)通过电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准。其中，目前的电机直接转矩控制器都具有对电机参数的自动辨识功能，可以获得基本准确的电机模型参数，这里不再赘述。

在本发明实施例中，通过图4所示的电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准，包括以下具体过程：

(1)上位机将驱动电机控制器设置为转速控制模式，设置驱动电机的工作转速，即台架的工作转速；

(2)上位机通过电机直接转矩控制器设置负载电机的输出扭矩，并等待运行稳定；

(3)读取传感器测量的实际转速和转矩；

(4)比较设定转矩和实际转矩的误差，得到电机直接转矩控制器的修正系数；

(5)重复设置不同的转速和转矩，得到修正系数表；

(6)将修正系数表输入电机直接转矩控制器的转矩控制参数，补偿原控制误差。

需要说明的是，现有的电机控制(包括驱动电机控制和电机直接转矩控制器)均有自动辨识电机转速的功能，只是存在小幅误差，通常不超过1％；有的电机上安装有编码器，能够精确的测量电机转速，可作为转速传感器使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，其特征在于，包括模拟装置，所述模拟装置包括：输入轴，转矩传感器，飞轮，负载电机，根据设定的负载转矩和转动惯量、采集到的驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩的台架控制器，根据接收到的转矩命令控制负载电机输出相应的扭矩的电机直接转矩控制器；其中，

所述输入轴上依次设有转矩传感器、飞轮、负载电机；所述转矩传感器、台架控制器、电机直接转矩控制器以及负载电机依次信号线连接；所述电机直接转矩控制器与负载电机之间电气连接。

2.如权利要求1所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，其特征在于，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统还包括冗余监测系统，所述冗余监测系统在所述模拟系统原有装置的基础上还包括转速传感器，所述转速传感器设于输入轴上，且所述转速传感器与台架控制器信号连接。

3.如权利要求2所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统，其特征在于，所述直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统还包括精度校准系统，所述精度校准系统在包括冗余监测系统中除飞轮、台架控制器外的其他装置的基础上还包括：驱动电机，驱动电机控制器，给驱动电机控制器发送转速命令、给电机直接转矩控制器发送转矩命令、读取转速传感器和转矩传感器信号的上位机；其中，

所述转速传感器、转矩传感器、驱动电机控制器、电机直接转矩控制器均与上位机信号连接，驱动电机控制器与驱动电机之间包括信号连接和电气连接，电机直接转矩控制器与负载电机之间包括信号连接和电气连接。

4.权利要求3所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量输入轴的驱动转矩并采集驱动转矩信号；

S2、通过台架控制器根据设定的负载转矩和转动惯量以及驱动转矩信号计算出负载电机目标转矩，向电机直接转矩控制器发送负载电机目标转矩命令；

S3、通过电机直接转矩控制器接收负载电机目标转矩命令并控制负载电机输出相应的扭矩。

5.如权利要求4所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，在步骤S3之前还包括：

S30、给电机直接转矩控制器提供准确的电机模型参数，或者通过电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准。

6.如权利要求5所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，在步骤S30中，所述通过电机传动试验台对电机直接转矩控制器的转矩控制精度进行校准包括以下具体过程：

(1)上位机将驱动电机控制器设置为转速控制模式，设置驱动电机的工作转速，即台架的工作转速；

(2)上位机通过电机直接转矩控制器设置负载电机的输出扭矩，并等待运行稳定；

(3)读取传感器测量的实际转速和转矩；

(4)比较设定转矩和实际转矩的误差，得到电机直接转矩控制器的修正系数；

(5)重复设置不同的转速和转矩，得到修正系数表；

(6)将修正系数表输入电机直接转矩控制器的转矩控制参数，补偿原控制误差。

7.如权利要求6所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括步骤：

S4、通过转速传感器对模拟装置的运行状态进行冗余监测。

8.如权利要求7所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下具体过程：

(1)读取转速传感器的转速，计算实际加速度以及理论加速度；

(2)将实际加速度与理论加速度之间差值与误差允许值比较，如果超出允许误差，且持续时间超过允许时间，做误差报警处理，在允许误差内则继续运行。

9.如权利要求6所述的直接设定型负载转矩和转动惯量模拟系统的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述负载电机目标转矩的计算公式为：

$T_m=(1-\frac{J_s+J_m}{J_r})T_d+\frac{J_s+J_m}{J_r}{T}_r$

式中，T_m为负载电机目标转矩，T_r为负载转矩，T_d为驱动转矩，J_s为飞轮转动惯量，J_m为负载电机转动惯量，J_r为负载转动惯量。