一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)及其控制方法，提供轉(zhuǎn)矩傳感器測量輸入軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩并采集驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號，通過臺架控制器根據(jù)設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量以及驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號計算出負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，向電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器發(fā)送負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令，通過電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器接收負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令并控制負(fù)載電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩。本發(fā)明以轉(zhuǎn)矩作為控制目標(biāo)，避免了加速度的計算誤差對控制精度的影響；無需根據(jù)不同臺架控制器來調(diào)整控制參數(shù)，使用簡單，動態(tài)響應(yīng)性能更好；能對臺架控制器運行工況進(jìn)行冗余監(jiān)測，提高臺架的可靠性。
【專利說明】一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)及其控制方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測試儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系 統(tǒng)及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)械傳動試驗臺中，慣性飛輪是一種常用的設(shè)備，如制動器試驗臺、汽車傳動系 統(tǒng)試驗臺等都需要慣性飛輪。不同的試驗場合需要不同的轉(zhuǎn)動慣量，但加工好的慣性飛輪 的轉(zhuǎn)動慣量已經(jīng)固定，不可調(diào)節(jié)，為了滿足不同轉(zhuǎn)動慣量的需要，可以采用多個不同轉(zhuǎn)動慣 量的飛輪，即飛輪組，組合成所需的轉(zhuǎn)動慣量。但是飛輪組價格昂貴，重量大，對動平衡要求 高，給試驗臺的安裝帶來不便，且存在高速轉(zhuǎn)動時的安全隱患。隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展， 機(jī)械慣量電模擬的方法被提出，采用電機(jī)的驅(qū)動力矩和加載力矩來模擬飛輪慣性力矩。以 制動器實驗臺為例，采用小飛輪代替原來的大飛輪，驅(qū)動電機(jī)在制動過程中繼續(xù)提供驅(qū)動 力矩，彌補(bǔ)小飛輪的慣量力矩與大飛輪的慣性力矩之間的差值。再如，在車輛傳動試驗臺 中，取消飛輪，負(fù)載電機(jī)模擬行駛阻力和整車慣量。目前，轉(zhuǎn)動慣量電模擬的實現(xiàn)方法是列 出傳動系統(tǒng)的動力學(xué)方程，計算出目標(biāo)加速度，通過對電機(jī)的雙閉環(huán)控制來跟蹤目標(biāo)加速 度，即實現(xiàn)與安裝轉(zhuǎn)動慣量時相同的加速度。但該方法存在幾個問題：（1)由于加速度是轉(zhuǎn) 速的微分，對轉(zhuǎn)速測量誤差具有放大作用，而該方法以加速度作為控制目標(biāo)，不利于提高控 制精度，也增加了控制難度；（2)雙閉環(huán)控制中的控制算法需要根據(jù)不同的傳動臺架來調(diào) 整控制參數(shù)，使用不便；（3)由于采用閉環(huán)控制，動態(tài)響應(yīng)、超調(diào)量、穩(wěn)定時間等指標(biāo)往往存 在矛盾，只能采取折中處理，犧牲轉(zhuǎn)動慣量電模擬的精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)，旨在解決 現(xiàn)有技術(shù)中的模擬裝置使用復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)性能差，需采用雙閉環(huán)控制以及調(diào)整控制參數(shù)， 而且依賴于加速度的計算誤差的問題。
[0004] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控 制方法。
[0005] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)，包括模擬 裝置，所述模擬裝置包括：輸入軸，轉(zhuǎn)矩傳感器，飛輪，負(fù)載電機(jī)，根據(jù)設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn) 動慣量、采集到的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號計算出負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的臺架控制器，根據(jù)接收到的轉(zhuǎn) 矩命令控制負(fù)載電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩的電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器；其中，
[0006] 所述輸入軸上依次設(shè)有轉(zhuǎn)矩傳感器、飛輪、負(fù)載電機(jī)；所述轉(zhuǎn)矩傳感器、臺架控制 器、電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器以及負(fù)載電機(jī)依次信號線連接；所述電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器與負(fù)載 電機(jī)之間電氣連接。
[0007] 優(yōu)選地，所述直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)還包括冗余監(jiān)測系統(tǒng)，所 述冗余監(jiān)測系統(tǒng)在所述模擬系統(tǒng)原有裝置的基礎(chǔ)上還包括轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器設(shè) 于輸入軸上，且所述轉(zhuǎn)速傳感器與臺架控制器信號連接。
[0008] 優(yōu)選地，所述直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)還包括精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所 述精度校準(zhǔn)系統(tǒng)在包括冗余監(jiān)測系統(tǒng)中除飛輪、臺架控制器外的其他裝置的基礎(chǔ)上還包 括：驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)控制器，給驅(qū)動電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速命令、給電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器 發(fā)送轉(zhuǎn)矩命令、讀取轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器信號的上位機(jī)；其中，
[0009] 所述轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、驅(qū)動電機(jī)控制器、電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器均與上位機(jī) 信號連接，驅(qū)動電機(jī)控制器與驅(qū)動電機(jī)之間包括信號連接和電氣連接，電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 器與負(fù)載電機(jī)之間包括信號連接和電氣連接。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了上述直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法， 包括以下步驟：
[0011] S1、測量輸入軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩并采集驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號；
[0012] S2、通過臺架控制器根據(jù)設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量以及驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號計算出負(fù) 載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，向電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器發(fā)送負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令；
[0013] S3、通過電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器接收負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令并控制負(fù)載電機(jī)輸出相 應(yīng)的扭矩。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟S3之前還包括：
[0015] S30、給電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器提供準(zhǔn)確的電機(jī)模型參數(shù)，或者通過電機(jī)傳動試驗臺 對電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制精度進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0016] 優(yōu)選地，在步驟S30中，所述通過電機(jī)傳動試驗臺對電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩 控制精度進(jìn)行校準(zhǔn)包括以下具體過程：
[0017] (1)上位機(jī)將驅(qū)動電機(jī)控制器設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制模式，設(shè)置驅(qū)動電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，即 臺架的工作轉(zhuǎn)速；
[0018] (2)上位機(jī)通過電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)置負(fù)載電機(jī)的輸出扭矩，并等待運行穩(wěn) 定；
[0019] (3)讀取傳感器測量的實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；
[0020] (4)比較設(shè)定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩的誤差，得到電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的修正系數(shù)；
[0021] (5)重復(fù)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，得到修正系數(shù)表；
[0022] (6)將修正系數(shù)表輸入電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，補(bǔ)償原控制誤差。
[0023] 優(yōu)選地，在步驟S3之后還包括：
[0024] S4、通過轉(zhuǎn)速傳感器對模擬裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行冗余監(jiān)測。
[0025] 優(yōu)選地，所述步驟S4包括以下具體過程：
[0026] (1)讀取轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速，計算實際加速度以及理論加速度；
[0027] (2)將實際加速度與理論加速度之間差值與誤差允許值比較，如果超出允許誤差， 且持續(xù)時間超過允許時間，做誤差報警處理，在允許誤差內(nèi)則繼續(xù)運行。
[0028] 優(yōu)選地，在步驟S2中，所述負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計算公式為：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括模擬裝置，所述模 擬裝置包括：輸入軸，轉(zhuǎn)矩傳感器，飛輪，負(fù)載電機(jī)，根據(jù)設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量、采集 到的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號計算出負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的臺架控制器，根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)矩命令控制負(fù) 載電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩的電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器；其中， 所述輸入軸上依次設(shè)有轉(zhuǎn)矩傳感器、飛輪、負(fù)載電機(jī)；所述轉(zhuǎn)矩傳感器、臺架控制器、電 機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器以及負(fù)載電機(jī)依次信號線連接；所述電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器與負(fù)載電機(jī)之 間電氣連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述 直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)還包括冗余監(jiān)測系統(tǒng)，所述冗余監(jiān)測系統(tǒng)在所述 模擬系統(tǒng)原有裝置的基礎(chǔ)上還包括轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)于輸入軸上，且所述轉(zhuǎn) 速傳感器與臺架控制器信號連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述 直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)還包括精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述精度校準(zhǔn)系統(tǒng)在包括 冗余監(jiān)測系統(tǒng)中除飛輪、臺架控制器外的其他裝置的基礎(chǔ)上還包括：驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)控 制器，給驅(qū)動電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速命令、給電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩命令、讀取轉(zhuǎn)速傳 感器和轉(zhuǎn)矩傳感器信號的上位機(jī)；其中， 所述轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、驅(qū)動電機(jī)控制器、電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器均與上位機(jī)信號 連接，驅(qū)動電機(jī)控制器與驅(qū)動電機(jī)之間包括信號連接和電氣連接，電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器與 負(fù)載電機(jī)之間包括信號連接和電氣連接。
4. 權(quán)利要求3所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于，包括以下步驟： 51、 測量輸入軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩并采集驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號； 52、 通過臺架控制器根據(jù)設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量以及驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號計算出負(fù)載電 機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，向電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器發(fā)送負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令； 53、 通過電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器接收負(fù)載電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令并控制負(fù)載電機(jī)輸出相應(yīng)的 扭矩。
5. 如權(quán)利要求4所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，在步驟S3之前還包括： S30、給電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器提供準(zhǔn)確的電機(jī)模型參數(shù)，或者通過電機(jī)傳動試驗臺對電 機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制精度進(jìn)行校準(zhǔn)。
6. 如權(quán)利要求5所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，在步驟S30中，所述通過電機(jī)傳動試驗臺對電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制精度進(jìn) 行校準(zhǔn)包括以下具體過程： (1) 上位機(jī)將驅(qū)動電機(jī)控制器設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制模式，設(shè)置驅(qū)動電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，即臺架 的工作轉(zhuǎn)速； (2) 上位機(jī)通過電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)置負(fù)載電機(jī)的輸出扭矩，并等待運行穩(wěn)定； (3) 讀取傳感器測量的實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩； (4) 比較設(shè)定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩的誤差，得到電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的修正系數(shù)； (5) 重復(fù)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，得到修正系數(shù)表； (6)將修正系數(shù)表輸入電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，補(bǔ)償原控制誤差。
7. 如權(quán)利要求6所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，在步驟S3之后還包括： S4、通過轉(zhuǎn)速傳感器對模擬裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行冗余監(jiān)測。
8. 如權(quán)利要求7所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，所述步驟S4包括以下具體過程： (1) 讀取轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速，計算實際加速度以及理論加速度； (2) 將實際加速度與理論加速度之間差值與誤差允許值比較，如果超出允許誤差，且持 續(xù)時間超過允許時間，做誤差報警處理，在允許誤差內(nèi)則繼續(xù)運行。
9. 如權(quán)利要求6所述的直接設(shè)定型負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量模擬系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，在步驟S2中，所述負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計算公式為：
式中，Tm為負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩，?；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Td為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，Js為飛輪轉(zhuǎn)動慣量，J m為負(fù) 載電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，I為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。
【文檔編號】G01M1/10GK104122035SQ201410315638
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】郝允志, 林毓培, 周黔 申請人:西南大學(xué)