壓力流量復合型液壓動力源轉速轉矩測試系統開發與應用

彭小光，許益民

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

傳統的壓力流量復合型液壓動力源包括壓力流量復合控制變量泵和定量泵加溢流節流閥兩種形式。其中，以壓力流量復合控制變量泵作為壓力流量復合控制動力源的技術成熟，應用廣泛。但變量泵的結構復雜，其控制特性受泵容腔效應和執行元件機械響應速度的影響。

以定量泵加溢流節流閥作為壓力流量復合型的動力源存在較大的溢流損失和節流損失，液壓系統功率消耗大，常用于小功率液壓系統。

近年來出現的以伺服電機+定量泵+壓力反饋作為壓力流量復合動力源是應用電機和電子技術的一種新型節能液壓驅動技術，有廣泛應用的趨勢。這種動力源通過控制器改變伺服電機的轉速來改變定量泵的輸出流量，以得到需要的功率 (流量或壓力)，大大簡化了復雜的液壓系統，且具有結構緊湊、便于集成、無節流和溢流損失、效率高、噪聲低等優點。這種液壓動力源控制特性不僅受電機的機械響應和泵的容腔效應影響，還受電機驅動電路特性的影響。

為此，需要測試這種液壓動力源的電機特性對動力源壓力與流量的影響，如測出伺服電機的啟動時間、響應時間等，以驗證和改善這種新型液壓動力源的性能。

1 轉速轉矩測試系統硬件組成

轉速轉矩測試系統由NI公司X系列采集卡USB-6341﹑轉矩傳感器﹑編碼器組成，如圖1所示。

圖1 轉速轉矩測試系統的構成

轉矩傳感器量程－500～500 N·m，對應頻率5～15 kHz。編碼器為伺服電機自帶的光電正交編碼器，每轉2 500線。伺服電機極限轉速為5 000 r/min，因此編碼器輸出最大頻率為208.333 kHz。

圖1中，Conuter0用于轉速測試，Conuter1用于辨別電機轉向，Conuter2用于轉矩測試。兩個伺服電機通過法蘭與轉矩傳感器相連。伺服電機2僅作轉矩控制，伺服電機1僅作轉速控制。轉矩傳感器只作轉矩測試用。

伺服電機2與伺服電機1對拖，就會形成轉矩加載在伺服電機1上。伺服電機2繞阻的電流反饋到驅動器形成轉矩閉環回路，改變伺服電機2的繞阻電流就可改變加載在伺服電機1上的轉矩，以此來模擬液壓泵加在伺服電機1上的外部變載荷。改變驅動器給伺服電機1的脈沖序列頻率可改變伺服電機的轉速，轉速又通過其自帶的編碼器反饋到驅動器形成速度閉環回路。

2轉速轉矩測試系統軟件設計

2.1 界面設計

前面板包含主界面、曲線回放、參數設置。其中，主界面如圖2所示。

圖2 轉速轉矩測試系統主界面

主界面可數顯和圖顯采集的轉速轉矩、顯示電機正反轉和控制電機啟停的開關信號狀態;可設定測試時間、設置掃屏時間 (圖形顯示控件翻頁時間)、是否啟用x標尺自動調整 (根據設定的測試時間標尺自動調整以顯示整個測試時間段曲線)、是否啟用掃屏、是否保存數據、使用游標等。

2.2 軟件設計

轉速和轉矩經編碼器和轉矩傳感器轉換后的信號都是一定頻率的脈沖信號。測出編碼器和轉矩傳感器的輸出頻率就可轉換成轉速和轉矩。

2.2.1 采用周期取反法測頻率

周期取反法原理如圖3所示。fx為被測信號，fk為采集卡時基信號 (采集卡內部路由，不需接線)。

周期取反法測頻率，僅適合測試低頻信號。被測信號的頻率小于時基信號頻率的1/100，被測信號可視為低頻信號。編碼器輸出最大頻率為208.333 kHz，轉矩信號最大頻率為15 kHz，遠小于USB-6341最大時基 (100M)，因此，用周期取反法所測的轉速轉矩頻率能滿足精度要求。

圖3 周期取反法原理圖

2.2.2 啟用數字濾波濾除高頻干擾

在一些高電壓、大電流、高頻電磁場的環境中，信號會受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖，這類干擾會嚴重影響測量精度。啟用數字濾波并設置合適的濾波寬度，就可將這些高頻干擾信號濾掉，得到理想的頻率信號。數字濾波不僅方便可靠，而且還可節省硬件成本。

轉速信號的最大頻率對應的脈寬約為2.4 μs，轉矩信號的最大頻率對應的脈寬約為33 μs，濾波寬度要略小于信號最大頻率對應的脈寬。根據X系列濾波寬度設置表，轉速濾波寬度可設為0.2 μs，轉矩濾波寬度可設為5.12 μs。為了得到更好的測試效果，需要做好的屏蔽措施，并將信號電纜的屏蔽線與采集卡的屏蔽地相連。

2.2.3 轉速轉矩測試分別設不同采樣率

轉速和轉矩的頻率不一樣，各自完成一次測試的時間就不一樣。為方便定時測試和等間隔采樣，程序中增加采樣時鐘模塊。設置采樣時鐘采樣率后，就可讓轉速和轉矩以固定的采樣間隔更新和顯示，而且還可以設置緩存大小，將采集的數據先放至采集卡的板載內存，計算機再將板載內存的數據取出顯示，以防數據丟失。

用采樣時鐘控制采樣，被測信號頻率低于采樣率時，程序會報錯。雖然可用“清除錯誤vi”將錯誤清除并強制輸出0(實際不為零)，讓測試繼續進行，但這樣會使低于采樣率的信號測試失真。降低采樣率可減小失真，但測試精度又會降低。編碼器輸出的頻率為0～208.3 kHz，轉矩傳感器輸出的頻率為5～15 kHz。若能對轉速和轉矩分別設置不同的采樣率，調出合適的轉速和轉矩采樣率，不僅可減小低于采樣率的轉速信號測試失真，而且還可以保證轉矩的測試精度不受影響。

轉速轉矩分別設不同采樣率的方法。創建一個模擬采集任務，將采集編碼器頻率任務的采樣時鐘源選擇為模擬采集任務的時鐘源，使模擬采集和采集編碼器頻率任務同步;創建一個模擬輸出任務，將采集轉矩傳感器頻率任務的采樣時鐘源選擇為模擬輸出任務的時鐘源，使模擬輸出與采集轉矩傳感器頻率任務同步。再將創建的模擬輸出和模擬采集任務共用一個開始觸發，就可使采集編碼器頻率、采集轉矩傳感器頻率這兩個分別設置不同采樣率的頻率采集任務從同一時刻開始。

轉速轉矩設置了不同的采樣率后，要讓轉速轉矩在一個循環和圖形顯示控件中同步運行和顯示，就要使轉速與轉矩“讀取vi每通道采樣數”之比等于轉速與轉矩采樣率之比。這樣就能使兩個采集任務在同一循環同步運行和顯示。

2.2.4 轉向識別

編碼器A相和B相分別接計數器的Source端和AUX端。順時針旋轉時，A相下降沿始終對應B相高電平，計數值總是向上增加，如圖4所示;逆時針旋轉時，A相的下降沿始終對應B相的低電平，計數值總是向下減少，如圖5所示。根據計數值增加還是減少可以判斷出伺服電機的旋轉方向。編碼器每旋轉一周會產生2 500個脈沖，所以通過計算單位時間的計數值還可以轉換成對應的轉速。

圖4 順時針旋轉

圖5 逆時針旋轉

3 程序圖

轉速轉矩測試系統主要部分程序如圖6所示。x標尺自動調整和掃屏設置可調用屬性節點對波形圖的時間標尺最大值和最小值進行動態設置。USB-6341 I/O端口輸出的開關量可作為伺服電機啟停的控制信號。調用寫入電子表格和MS Office Report模塊，可保存數據回放和Excel文件。

圖6 轉速轉矩測試系統程序圖

由測試程序得到的測試曲線如圖7和圖8所示。

圖7 電機正轉測試曲線

圖8 電機反轉測試曲線

4 結語

該測試系統界面友好、穩定可靠，具有定時測試、等間隔采樣、獨立設置不同采樣率、轉速轉矩在同一波形圖中顯示、掃屏設置、x標尺自動調整、數據保存、曲線回放等功能。伺服電機編碼器每轉2 500線且啟動時間快，低頻段時間極短，低于采樣率的信號測試失真，可忽略不計。通過實際測試，能精確測出轉速轉矩、電機的啟動時間、響應時間，為驗證和改善變轉速液壓系統的性能提供了有力的依據。

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