CN107490763A - 一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置及方法，包括基座、永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ、升速箱、转矩转速传感器Ⅱ、测功机、测功机驱动器、测功机控制器、数据采集卡、上位计算机、永磁电机控制器以及永磁电机驱动器；所述永磁驱动系统由永磁电机、永磁电机驱动器和永磁电机控制器组成；本发明通过测功机实现永磁电机的负载特性的模拟；升速箱安装在永磁电机和测功机之间，降低测功机载荷加载需求；上位计算机通过永磁电机控制器和驱动器控制永磁电机，通过测功机控制器和驱动器控制测功机；从而能准确模拟出矿用刮板输送机处于各种工况环境下的负载情况，从而便于对永磁变频驱动系统控制策略进行验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置及方法，属于永磁变频驱动系统控制技术领域。
背景技术
近年来，为响应国家节能减排号召，“永磁直驱变频”成为各行业重点攻克的新课题，在煤矿行业采用永磁同步电机代替传统的异步电机已成为一个亟待发展的方向；另一方面，采用低速大扭矩的永磁电机直接驱动一些机械设备，可减少动力源与工作机构之间一些传动设备，如减速器、软启动装置等，提高机电系统的可靠性。
例如采用低速大扭矩永磁电机直接驱动矿用刮板输送机后，由于永磁电机与刮板输送机上的链轮直接相连，刮板输送机上的任何负载与速度变化都会直接传导到永磁电机上，永磁电机的变频驱动系统将承受由此带来的各种扰动，这对永磁变频驱动系统的控制策略提出了更高的要求。因此，针对永磁电机直接驱动的矿用刮板输送机，研究永磁变频驱动系统的负载特性，并在地面采用负载模拟试验装置，准确的模拟出负载特性，验证永磁变频驱动系统的控制策略的可靠性和合理性。而现今的永磁变频驱动系统的负载模拟多采用负载电机(直流电机、交流电机等)模拟，如中国专利ZL200910045855.5公开了一种电机负载模拟方法，可实现从零到待测电机的额定转速的测量；中国专利ZL201310125625.6公开了一种变频电机试验用动态负载装置及模拟方法，根据从转速传感器获得的转速信息和当前的负载类型所对应的转矩-转速关系，可得到异步电机输出与该转速相对应的转矩所需要的电压和频率；但是以上的这些方法只能简单的实现转速或者额定负载转矩的模拟，无法准确的模拟出复杂的、负载易突变的矿用刮板输送机工况环境，也就不能有效的实现永磁变频驱动系统控制策略的验证。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置及方法，能准确模拟出矿用刮板输送机处于各种工况环境下的负载情况，从而便于对永磁变频驱动系统控制策略进行验证。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置，包括基座、永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ、升速箱、转矩转速传感器Ⅱ、测功机、测功机驱动器、测功机控制器、数据采集卡、上位计算机、永磁电机控制器以及永磁电机驱动器；
所述的永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ、升速箱、转矩转速传感器Ⅱ、测功机固定在基座上，所述永磁驱动系统由永磁电机、永磁电机驱动器和永磁电机控制器组成，永磁电机与转矩转速传感器Ⅰ之间通过联轴器Ⅰ连接，转矩转速传感器Ⅰ与升速箱的输入轴之间通过联轴器Ⅱ连接，升速箱的输出轴与转矩转速传感器Ⅱ之间通过联轴器Ⅲ连接，转矩转速传感器Ⅱ与测功机之间通过联轴器Ⅳ连接；
所述转矩转速传感器Ⅰ和转矩转速传感器Ⅱ通过数据线与数据采集卡连接，数据采集卡通过数据线与上位计算机连接，永磁电机与永磁电机驱动器电连接，永磁电机驱动器通过数据线与永磁电机控制器连接，永磁电机控制器通过数据线与上位计算机连接；测功机与测功机驱动器电连接，测功机驱动器通过数据线与测功机控制器连接，测功机控制器通过数据线与上位计算机连接。
进一步，所述永磁电机、联轴器Ⅰ、转矩转速传感器Ⅰ、联轴器Ⅱ与升速箱的输入轴处于同一轴线，升速箱的输出轴、联轴器Ⅲ、转矩转速传感器Ⅱ、联轴器Ⅳ与测功机的连接轴处于同一轴线。
进一步，所述测功机采用交流变频电动机。
一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟方法，具体步骤为：
A、矿用刮板输送机动力建模：
基于刮板机载荷分布时变的承载规律、双端驱动刮板链耦合运动模型和链传动间歇运动模型，建立刮板输送机的非线性、强时变耦合动力学模型，得到该动力学模型的位移、速度、加速度和动载荷之间的关系，进而计算出永磁驱动系统各种工况下及各时间段的负载力矩；
B、永磁变频驱动系统的负载模拟加载：
a、扭矩转速传感器Ⅰ实时采集永磁变频驱动系统中永磁电机的转矩Tp值和转速ωp值，扭矩转速传感器Ⅱ实时采集测功机的力矩Tsm值和转速ωsm值，然后扭矩转速传感器Ⅰ和扭矩转速传感器Ⅱ分别将采集的数据传递给数据采集卡；
b、数据采集卡将数据传递给上位计算机；
c、上位计算机以步骤A建立的矿用刮板输送机动力学模型为基础，结合数据采集卡采集的数据计算得出此时所模拟刮板输送机链轮的速度响应ωcm值；
d、将模拟的速度响应ωcm值结合升速箱的升速比，并采用PID跟踪算法对速度响应ωcm与转速ωp的速度差进行补偿；
e、步骤d中得到的补偿值与当前测功机的力矩Tsm之和，即为此时测功机所需模拟的加载力矩TL；
f、根据得到的加载力矩TL值，由上位计算机向测功机控制器输出控制信号，经测功机驱动器控制测功机的力矩达到加载力矩TL值，从而完成矿用刮板输送机永磁驱动系统的负载模拟加载。
与现有技术相比，本发明采用基座、永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ、升速箱、转矩转速传感器Ⅱ、测功机、测功机驱动器、测功机控制器、数据采集卡、上位计算机、永磁电机控制器以及永磁电机驱动器相结合方式，通过建立矿用刮板输送机非线性、强耦合的动力学模型，获得刮板输送机永磁变频驱动系统的负载特性，之后利用测功机的负载模拟算法实现对低速大扭矩永磁变频驱动系统的负载特性进行模拟，从而为验证低速大扭矩永磁变频驱动系统的控制策略提供试验装置及方法；另外由于低速大扭矩永磁变频驱动系统的实际输出转速较低，一般在几十转/分钟到几百转/分钟之间，在较低转速的工作状态下，一般测功机难以准确稳定加载，在永磁电机和测功机之间设置升速箱，改善测功机的工作条件，同时降低了测功机载荷加载需求。因此本发明具有适用范围较广、成本较低、实施简单、负载特性模拟准确的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中矿用刮板输送机动力学建模示意图；
图3为本发明中负载模拟方法流程示意图。
图中：1、基座，2、永磁电机，3、联轴器Ⅰ，4、转矩转速传感器Ⅰ，5、联轴器Ⅱ，6、升速箱，7、联轴器Ⅲ，8、转矩转速传感器Ⅱ，9、联轴器Ⅳ，10、测功机，11、测功机驱动器，12、测功机控制器，13、数据采集卡，14、上位计算机，15、永磁电机控制器，16、永磁电机驱动器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置，包括基座1、永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ4、升速箱6、转矩转速传感器Ⅱ8、测功机10、测功机驱动器11、测功机控制器12、数据采集卡13、上位计算机14、永磁电机控制器15以及永磁电机驱动器16；
所述的永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ4、升速箱6、转矩转速传感器Ⅱ8、测功机10固定在基座1上，所述永磁驱动系统由永磁电机2、永磁电机驱动器16和永磁电机控制器15组成，永磁电机2与转矩转速传感器Ⅰ4之间通过联轴器Ⅰ3连接，转矩转速传感器Ⅰ4与升速箱6的输入轴之间通过联轴器Ⅱ5连接，升速箱6的输出轴与转矩转速传感器Ⅱ8之间通过联轴器Ⅲ7连接，转矩转速传感器Ⅱ8与测功机10之间通过联轴器Ⅳ9连接；
所述转矩转速传感器Ⅰ4和转矩转速传感器Ⅱ8通过数据线与数据采集卡13连接，数据采集卡13通过数据线与上位计算机14连接，永磁电机2与永磁电机驱动器16电连接，永磁电机驱动器16通过数据线与永磁电机控制器15连接，永磁电机控制器15通过数据线与上位计算机14连接；测功机10与测功机驱动器11电连接，测功机驱动器11通过数据线与测功机控制器12连接，测功机控制器12通过数据线与上位计算机14连接。
进一步，所述永磁电机2、联轴器Ⅰ3、转矩转速传感器Ⅰ4、联轴器Ⅱ5与升速箱6的输入轴处于同一轴线，升速箱6的输出轴、联轴器Ⅲ7、转矩转速传感器Ⅱ8、联轴器Ⅳ9与测功机10的连接轴处于同一轴线。采用这种结构以保证负载模拟试验装置的同心度，从而提高测功机对永磁电机负载模拟的准确度。
进一步，所述测功机10采用交流变频电动机。由于这种电动机的特性，使得测功机可以模拟正负功率负载，提高了测功机负载模拟的范围。
如图2和图3所示，一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟方法，具体步骤为：
A、矿用刮板输送机动力建模：
基于刮板机载荷分布时变的承载规律、双端驱动刮板链耦合运动模型和链传动间歇运动模型，建立刮板输送机的非线性、强时变耦合动力学模型，得到该动力学模型的位移、速度、加速度和动载荷之间的关系，进而计算出永磁驱动系统各种工况下及各时间段的负载力矩；具体过程为：将闭环的矿用刮板输送机链条划分成n个等质量的离散有限元体，每个有限元体采用Kelvin-Vogit模型连接在一起，可得到如下的动力学方程：
式中，M10(t)，Mi0(t)分别为双端的驱动转矩；kn+1、ki分别为折算的头尾部刚度系数；cn+1、ci分别为折算的头尾部折算阻尼系数；J10，Ji0分别为头尾部驱动装置的转动惯量；J1、Ji、R1、R2分别为头尾部装置的转动惯量、转角和节圆半径。
当j≠i,n,1,k+1时，
Wj为第j个质点运动时的阻力。
在矿用刮板输送机动力学模型的基础上，对正常、非正常、断链等工况下进行刮板输送机的动力学模拟仿真，得到其位移、速度、加速度和动载荷之间的关系，进而得出永磁驱动系统各种工况下、各时间段承受的负载。
B、永磁变频驱动系统的负载模拟加载：
a、扭矩转速传感器Ⅰ4实时采集永磁变频驱动系统中永磁电机2的转矩Tp值和转速ωp值，扭矩转速传感器Ⅱ8实时采集测功机10的力矩Tsm值和转速ωsm值，然后扭矩转速传感器Ⅰ4和扭矩转速传感器Ⅱ8分别将采集的数据传递给数据采集卡；
b、数据采集卡13将数据传递给上位计算机14；
c、上位计算机14以步骤A建立的矿用刮板输送机动力学模型为基础，结合数据采集卡13采集的数据计算得出此时所模拟刮板输送机链轮的速度响应ωcm值；
d、将模拟的速度响应ωcm值结合升速箱6的升速比，并采用PID跟踪算法对速度响应ωcm与转速ωp的速度差进行补偿；
e、步骤d中得到的补偿值与当前测功机10的力矩Tsm之和，即为此时测功机10所需模拟的加载力矩TL；
f、根据得到的加载力矩TL值，由上位计算机14向测功机控制器12输出控制信号，经测功机驱动器11控制测功机10的力矩达到加载力矩TL值，从而完成矿用刮板输送机永磁驱动系统的负载模拟加载。
Claims (4)
1.一种低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置，其特征在于，包括基座(1)、永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ(4)、升速箱(6)、转矩转速传感器Ⅱ(8)、测功机(10)、测功机驱动器(11)、测功机控制器(12)、数据采集卡(13)、上位计算机(14)、永磁电机控制器(15)以及永磁电机驱动器(16)；
所述的永磁驱动系统、转矩转速传感器Ⅰ(4)、升速箱(6)、转矩转速传感器Ⅱ(8)、测功机(10)固定在基座(1)上，所述永磁驱动系统由永磁电机(2)、永磁电机驱动器(16)和永磁电机控制器(15)组成，永磁电机(2)与转矩转速传感器Ⅰ(4)之间通过联轴器Ⅰ(3)连接，转矩转速传感器Ⅰ(4)与升速箱(6)的输入轴之间通过联轴器Ⅱ(5)连接，升速箱(6)的输出轴与转矩转速传感器Ⅱ(8)之间通过联轴器Ⅲ(7)连接，转矩转速传感器Ⅱ(8)与测功机(10)之间通过联轴器Ⅳ(9)连接；
所述转矩转速传感器Ⅰ(4)和转矩转速传感器Ⅱ(8)通过数据线与数据采集卡(13)连接，数据采集卡(13)通过数据线与上位计算机(14)连接，永磁电机(2)与永磁电机驱动器(16)连接，永磁电机驱动器(16)通过数据线与永磁电机控制器(15)连接，永磁电机控制器(15)通过数据线与上位计算机(14)连接；测功机(10)与测功机驱动器(11)连接，测功机驱动器(11)通过数据线与测功机控制器(12)连接，测功机控制器(12)通过数据线与上位计算机(14)连接。
2.根据权利要求1所述的低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置，其特征在于，所述永磁电机(2)、联轴器Ⅰ(3)、转矩转速传感器Ⅰ(4)、联轴器Ⅱ(5)与升速箱(6)的输入轴处于同一轴线，升速箱(6)的输出轴、联轴器Ⅲ(7)、转矩转速传感器Ⅱ(8)、联轴器Ⅳ(9)与测功机(10)的连接轴处于同一轴线。
3.根据权利要求1所述的低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置，其特征在于，所述测功机(10)采用交流变频电动机。
4.一种利用权利要求1所述的低速大扭矩永磁驱动系统的负载模拟试验装置的负载模拟方法，其特征在于，具体步骤为：
A、矿用刮板输送机动力建模：
基于刮板机载荷分布时变的承载规律、双端驱动刮板链耦合运动模型和链传动间歇运动模型，建立刮板输送机的非线性、强时变耦合动力学模型，得到该动力学模型的位移、速度、加速度和动载荷之间的关系，进而计算出永磁驱动系统各种工况下及各时间段的负载力矩；
B、永磁变频驱动系统的负载模拟加载：
a、扭矩转速传感器Ⅰ(4)实时采集永磁变频驱动系统中永磁电机(2)的转矩Tp值和转速ωp值，扭矩转速传感器Ⅱ(8)实时采集测功机(10)的力矩Tsm值和转速ωsm值，然后扭矩转速传感器Ⅰ(4)和扭矩转速传感器Ⅱ(8)分别将采集的数据传递给数据采集卡；
b、数据采集卡(13)将数据传递给上位计算机(14)；
c、上位计算机(14)以步骤A建立的矿用刮板输送机动力学模型为基础，结合数据采集卡(13)采集的数据计算得出此时所模拟刮板输送机链轮的速度响应ωcm值；
d、将模拟的速度响应ωcm值结合升速箱(6)的升速比，并采用PID跟踪算法对速度响应ωcm与转速ωp的速度差进行补偿；
e、步骤d中得到的补偿值与当前测功机(10)的力矩Tsm之和，即为此时测功机(10)所需模拟的加载力矩TL；
f、根据得到的加载力矩TL值，由上位计算机(14)向测功机控制器(12)输出控制信号，经测功机驱动器(11)控制测功机(10)的力矩达到加载力矩TL值，从而完成矿用刮板输送机永磁驱动系统的负载模拟加载。
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