齒輪泵性能測試試驗臺的轉速閉環控制方法研究

□ 高施琛 □ 呂永福 □ 馮 浩 □ 邢科禮

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

齒輪泵性能測試試驗臺的轉速閉環控制方法研究

□ 高施琛 □ 呂永福 □ 馮 浩 □ 邢科禮

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

介紹了在電磁干擾環境中齒輪泵性能測試試驗臺的轉速控制方法，即通過綜合使用硬件與軟件對數據采集進行抗干擾處理，同時采用“計算機串口通信設定變頻器頻率與外部電壓信號控制頻率的組合方式”對變頻電機轉速進行控制。實踐結果證明，此方法行之有效。

電磁干擾 轉速控制 硬件抗干擾 軟件抗干擾 串口通信

齒輪泵是液壓傳動系統的主要動力元件，具有壓力高、耐污能力強、價格低廉等特點，在工程機械、建筑機械等各類液壓系統中得到了廣泛應用，其產品質量也直接影響著整個系統的性能，而出廠性能檢測是保證齒輪泵質量的主要方法。

目前我國齒輪泵的出廠性能測試主要依據JB/T 7041-2006液壓齒輪泵標準執行，測試項目包括排量試驗、容積效率試驗等，其中對于齒輪泵轉速的測量需要達到±1%要求（B級精度）。某企業根據其產品特點，需要檢測齒輪泵在不同轉速下的輸出流量是否達到設計的參考流量，作為對齒輪泵性能判定的補充標準。因此對齒輪泵出廠性能測試項目進行了補充，開發了一套齒輪泵出廠性能測試試驗臺。在標準規定的“排量試驗”之前新增了“跑合試驗”項目，將最低轉速至額定轉速之間設定5個等分轉速，并分別測量相應轉速下空載壓力至額定壓力范圍內的壓力點流量。由于“跑合試驗”各階段齒輪泵的設定轉速不同，若轉速控制不準確，將導致“跑合試驗”所測量的流量與在該階段設定轉速下的參考流量不匹配，從而引起對產品質量的誤判。如何有效地控制被測齒輪泵的轉速是確保產品出廠性能檢測的關鍵因素，由于閉環系統具有較好的控制性能，筆者用此方式來實現對齒輪泵轉速的精確控制。

1 齒輪泵性能測試臺閉環控制系統的基本構成

▲圖1 控制系統框圖

當控制系統的輸出與輸入量之間存在著反饋通道時，系統的輸出對控制作用有直接影響的稱為閉環控制系統。本文采用如圖1所示的齒輪泵性能測試閉環

控制系統，該系統主要由測量元件、放大元件、執行元件組成，其中測量元件包括：壓力傳感器、流量計、扭矩轉速傳感器、分貝儀、溫度傳感器；放大元件采用比例放大器；執行元件包括：變頻器、電機、比例溢流閥等。在本系統中，預設值為根據測試需要在控制系統程序中設定的齒輪泵測試參數值；控制器的作用是依據控制算法對控制系統進行偏差調節，使被控對象的實際值與預設值接近；而數據采集及處理是對采集的原始信號進行分析、過濾和處理。其中，跑合試驗的預設值為齒輪泵的轉速值，測量元件為扭矩轉速傳感器，執行元件為變頻器和電機。

2 齒輪泵轉速控制的主要影響因素分析

在進行跑合試驗的轉速精確控制前，有必要分析系統中影響轉速控制的主要因素。由于本測控系統采用變頻器進行電機轉速調節，且系統使用環境中存在較大的電磁干擾，因此影響齒輪泵轉速控制的因素主要包括兩個方面：①外部電磁信號的干擾，包括變頻器逆變時產生的高次諧波以及其它設備輻射的干擾，系統外部的各種電磁干擾信號通過反饋通道影響被測泵轉速信號的采集精度和準確性，從而導致泵轉速控制的不準確；②變頻器轉速控制方法的選擇，通過變頻器控制轉速的方法有多種，選擇合適的控制方法將有助于提高控制精度。

目前抗干擾的方法包括硬件和軟件兩種。在硬件上常用的抗干擾措施有正確接地、屏蔽干擾源、合理布線、隔離干擾、在線路中設置濾波器等方法，采用硬件抗干擾措施的效果明顯，不僅可以防止對自身系統的干擾，也能防止對其它設備的干擾，缺點在于增加成本；軟件常用的抗干擾方法有：①程序判斷濾波。根據生產經驗，確定兩次采樣輸入信號可能出現的最大偏差Δy，若超過此偏差值，則表明輸入信號是干擾值，應該去掉；如果小于此偏差值，則可以將信號作為此次采樣值。②中值濾波。對某一參數連續采樣N次，然后把N次采樣值從小到大或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。③均值濾波。對于一點連續采樣多次，計算其算術平均值，以其平均值作為該點采樣結果。程序判斷濾波能夠屏蔽超過最大偏差Δy的干擾值，但是不能消除較小干擾值的影響，若單獨使用此方法，將會導致轉速有較大的波動。均值濾波可以減小隨機干擾的影響，在一般情況下其抑制噪聲能力不如中值濾波，但中值濾波對快速變化的參數不宜采用。

通過變頻器進行電機轉速控制的方法目前有3種模式：①利用變頻器的控制面板調節，此方法人工操作復雜，專業化要求高，適用于調試階段；②利用外部電壓信號控制變頻器頻率，通常是通過手動調節電位器給定外部電壓控制信號，這樣做不僅浪費人力，而且實時性和可靠性不高；③通過串行通信接口控制變頻器頻率。計算機與變頻器之間的串行通信，靈活、方便、可靠性強，并可實現實時控制，具有很好的實用性，并可解決數據處理、計算、儲存等問題，是比較理想的電機轉速控制方法。

3 齒輪泵性能測試試驗臺轉速閉環控制

從上述分析可以看出，要實現齒輪泵性能測試中試驗轉速的精確控制，必須保證準確的閉環反饋信號采集以及精確的變頻電機轉速控制。

（1）閉環反饋信號抗干擾處理。本文采用硬件與軟件相結合的抗干擾措施。在硬件上，通過在變頻器輸入端/輸出端增加輸入濾波器/輸出阻抗器，使用屏蔽電纜，在源頭上屏蔽轉速信息干擾源；在軟件上，通過增加數據濾波程序進行抗干擾處理。首先使用“程序判斷濾波”去掉超出最大偏差的采樣值，綜合使用均值濾波和中值濾波，保證數據的準確和平穩。當測試流程由上一個測試階段進入下一個測試階段時，由于各個測試階段的設定轉速不盡相同，泵轉速將從當前轉速調整至下一個測試階段的設定轉速。此過程泵轉速快速變化，用戶對數據采集要求能夠快速反應系統狀態，而對精度要求不高，此過程可采用均值濾波方法；當轉速調整漸趨穩定，用戶對數據精度要求較高，采集的數據要能夠反映齒輪泵的真實特性，此過程可采用中值濾波方法。

圖2、圖3是泵轉速從0～1 500 r/min過程中采集到的轉速信號，其中圖2是未進行抗干擾處理時采集的轉速信號，圖3是按上述抗干擾方法處理后采集的轉速信號。實踐表明，本文所用的抗干擾方法非常有效，采集的轉速信號準確，能夠為泵轉速的閉環控制提供準確的反饋。

（2）變頻電機轉速控制。由于本齒輪泵性能測試試驗臺用于企業產品的出廠試驗，必須考慮試驗臺的工作效率，而變頻器控制面板調節及外部電壓信號控制方法缺乏效率，因此本系統采用變頻器和計算機串口通信設定變頻器頻率來調節轉速，此方法具有較高的效率及可靠性。根據齒輪泵的設定轉速，通過串口通信的方式設置變頻器的頻率，使齒輪泵的理想轉速為設定轉速。由于負載以及外界波動會使泵的實際轉速與設定轉速產生一定偏差，在泵轉速調節過程中，可同時采用外部電壓控制信號方法對泵轉速進行微調。通過 “計算機串口通信設定變頻器頻率與外部電壓信號控制頻率的組合方式”可實現對泵轉速的精確控制，轉速控制精度可達±1%。為了提高系統的可靠性，對于外部電壓控制信號采用研華PCI1710采集卡進行輸出。

▲圖2 未進行抗干擾處理的信號

▲圖3 進行抗干擾處理后的信號

▲圖4 轉速控制流程

▲圖5 轉速控制結果

采用上述組合方式進行變頻電機控制轉速，首先需要設定變頻器部分參數，將變頻器的調節頻率模式設置為“組合模式”并選擇為“第一通道+第二通道”的方式，設定變頻器的數據格式、通信協議；其次，根據變頻器的通信協議發送命令幀，啟動電機，設定變頻器頻率，讀取響應幀獲取變頻器的實際頻率；最后，讀取泵的實際轉速，計算外部電壓控制信號：

式中：△V為需要輸出的外部控制電壓；［L-28］為變頻器輸入上限電壓；△n為設定轉速與實際轉速的差值；nset為設定轉速；Kp為計算外部控制電壓的比例系數；b為計算外部電壓的補償值。

外部電壓控制信號由采集卡輸出，實現對泵轉速進行微調，圖4所示為泵電機轉速控制流程。相較于其它控制過程，由于被測齒輪泵0～1 500 r/min轉速的控制過程具有轉速相差最大、加速時間最長、沖擊最大等特點，是本系統實際測試中的最差工況，基于上述組合控制方法進行齒輪泵0～1 500 r/min轉速的實際控制結果如圖5所示。從控制效果可以看出，本文采用的控制方法非常有效，轉速控制精度達到了±1%，完全滿足并超過了JB/T 7041-2006標準以及該企業標準的要求。

4 結束語

為了保證轉速控制有較高精度，系統采用閉環控制形式進行轉速控制。本文采用“硬件抗干擾與軟件抗干攏相結合”對數據采集進行抗干擾處理，具有效果優良且成本低的特點，具有很高的實用性；同時結合變頻器控制電機轉速的特點，采用“計算機串口通信設定變頻器頻率與外部電壓信號控制頻率的組合方式”進行被測泵電機的轉速控制，具有控制精度高、效率高、自動化程度高等特點。實踐結果證明，本文所述控制方法對被測試齒輪泵的轉速控制取得非常好的效果，測量及控制精度可達±1%，符合相應的標準要求及企業要求。

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2015年1月