基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的程控模擬負(fù)載的研制

胡然，謝白松

（1.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.貴陽市數(shù)控加工工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081 ）

1 現(xiàn)有模擬負(fù)載裝置綜述

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)裝置模擬電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行的方法：

1.1 采用機(jī)械制動(dòng)片

在電動(dòng)機(jī)軸上加裝制動(dòng)盤，手動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)片在剎車盤上的壓力，給電機(jī)軸上加制動(dòng)力，典型應(yīng)用為廣東某公司的變頻調(diào)試實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。因調(diào)節(jié)裝置為手動(dòng)，只能預(yù)設(shè)固定制動(dòng)力，無法模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)工況。

1.2 采用電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組

利用電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，即在實(shí)訓(xùn)電動(dòng)機(jī)上同軸加裝一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，通過在發(fā)電機(jī)電壓輸出端接假負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行，常見的假負(fù)載為大功率電阻箱，典型應(yīng)用為天津源峰公司的雙閉環(huán)直流調(diào)速、調(diào)壓實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，該方案通過選擇不同的負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的變化，但由于仍為手動(dòng)調(diào)節(jié)，同樣無法模擬電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)工況。

1.3 采用磁粉制動(dòng)器

通過在電動(dòng)機(jī)軸上同軸加裝磁粉制動(dòng)器，利用磁粉制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩與激磁粉電流，呈良好的線性關(guān)系，而與轉(zhuǎn)速或滑差無關(guān)，并具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，通過PLC將24V控制電壓加載在磁粉制動(dòng)器上，模擬電動(dòng)機(jī)滿載、堵轉(zhuǎn)等幾類單一工況，仍無法模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)工況。典型應(yīng)用為浙江亞龍教育裝備公司的電機(jī)裝配（安裝）與運(yùn)行檢測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

2 模擬負(fù)載的工作原理

本裝置選用磁滯制動(dòng)器作為實(shí)訓(xùn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載，在作為控制器的單片機(jī)中，事先預(yù)置多種基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的典型電機(jī)實(shí)際負(fù)載曲線庫，單片機(jī)根據(jù)選調(diào)的典型電機(jī)實(shí)際負(fù)載曲線庫進(jìn)行負(fù)載模擬，并輸出控制電壓給磁滯制動(dòng)器，通過磁滯制動(dòng)器產(chǎn)生一定的負(fù)載扭矩對(duì)實(shí)訓(xùn)裝置電機(jī)進(jìn)行控制，理論上可模擬任意設(shè)備上的電動(dòng)機(jī)工況，可按真實(shí)的生產(chǎn)過程，動(dòng)態(tài)改變電機(jī)軸上的負(fù)荷，從而在教室里模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的負(fù)載變化，使學(xué)生透徹的理解相關(guān)控制原理。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的程控模擬負(fù)載原理框圖，見圖1。

圖1 原理框圖

2.1 磁滯制動(dòng)器的工作原理

磁滯制動(dòng)器利用磁滯原理，通過控制輸入的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一定的扭矩?？刂齐娏骱洼敵雠ぞ赜休^好的線性關(guān)系，輸出扭矩和轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的0扭矩到滿量程扭矩輸出控制，可用于小扭矩、高轉(zhuǎn)速的電機(jī)測(cè)試場(chǎng)合，是一種優(yōu)越的力矩控制部件。它能提供光滑、無級(jí)可調(diào)、與轉(zhuǎn)速無關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制。該部件根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置電機(jī)功率、轉(zhuǎn)數(shù)選配，可根據(jù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備上電機(jī)的安裝方式，選擇單出軸磁滯制動(dòng)器與雙出軸磁滯制動(dòng)器，通過彈性聯(lián)軸器、皮帶等與實(shí)訓(xùn)設(shè)備電機(jī)進(jìn)行連接。

2.2 系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)既可用于模擬負(fù)載，也可用于模擬儀表。

（1）系統(tǒng)控制器可以根據(jù)不同設(shè)備的電機(jī)實(shí)際負(fù)載曲線進(jìn)行模擬，其輸出直接控制磁滯制動(dòng)器，若取消功率部分，即是一個(gè)完整的模擬儀表。

該控制器核心采用內(nèi)部具有8路10位AD轉(zhuǎn)換、2路PWM和可擦寫10萬次的1KB容量的EEPROM等專用功能的增強(qiáng)型8位單片機(jī)STC-12C5A60S2。其原理是利用STC單片機(jī)內(nèi)部程序，將預(yù)置在單片機(jī)FLASH中的電機(jī)實(shí)際負(fù)載曲線庫，用特定算法將其轉(zhuǎn)換成PWM波輸出，利用該P(yáng)WM波經(jīng)過一個(gè)PWM/V工控質(zhì)量的專用轉(zhuǎn)換模塊，輸出對(duì)應(yīng)的控制電壓，為方便觀察記錄，根據(jù)成本控制需求，可將曲線利用液晶點(diǎn)陣或4位大型數(shù)碼管實(shí)加以顯示，控制電壓輸出精度為0.1V。

（2）電機(jī)實(shí)際負(fù)載曲線庫數(shù)據(jù)是典型生產(chǎn)設(shè)備實(shí)際工作時(shí)采集的數(shù)據(jù)，能真實(shí)反映電機(jī)的實(shí)際工況。

2.3 功能設(shè)置、接口及顯示

（1）電路中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)量和模擬量輸入端口，便于采集控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整負(fù)載大小。

（2）設(shè)置了3鍵按鈕，可實(shí)現(xiàn)選調(diào)預(yù)置在單片機(jī)中的最多10種典型電機(jī)負(fù)載特性曲線庫。

（3）液晶點(diǎn)陣（或4位數(shù)碼管）除了實(shí)時(shí)直觀顯示負(fù)載特性曲線（或曲線組號(hào)）外，還實(shí)現(xiàn)開機(jī)時(shí)顯示最后一次設(shè)置的狀態(tài)數(shù)據(jù)，與3鍵按鈕配合顯示參數(shù)設(shè)定。

（4）利用單片機(jī)內(nèi)部的掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的EEPROM單元，將最后一次的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行保存，方便使用。

3 電路設(shè)計(jì)

圖2 電路原理圖

4 工程樣機(jī)制作及運(yùn)行試驗(yàn)

4.1 工程樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

額定工作電壓：DC 24V；顯示：0000～9999；繼電器輸出：250VAC，3A；控制信號(hào)輸出：0～10mA或4～20mA或1～5V或開關(guān)量，可選；控制信號(hào)輸入：0～10mA 或 1～5V， 可 選； 額定扭矩：2kg·cm（僅限模擬負(fù)載）；最高轉(zhuǎn)速：25000r/min（僅限模擬負(fù)載）；程序輸入：RS232接口輸入。

圖3 工程樣機(jī)實(shí)物圖片

4.2 工程樣機(jī)實(shí)物圖（如圖3、4）

圖4 工程樣機(jī)裝配在YL-235實(shí)訓(xùn)裝置的狀態(tài)

4.3 工程樣機(jī)試運(yùn)行

研究團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)場(chǎng)采集的磷礦皮帶運(yùn)輸機(jī)主拖動(dòng)電機(jī)工況曲線、龍門刨床主拖動(dòng)電機(jī)工況曲線等現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)輸入控制器，經(jīng)接入實(shí)訓(xùn)裝置，電動(dòng)機(jī)模擬運(yùn)行，完全滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。以在YL-235的應(yīng)用為例，按圖4將本裝置與實(shí)訓(xùn)裝置裝配在一起，并將1#光電傳感器輸出信號(hào)聯(lián)至本裝置控制器開關(guān)量輸入口，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有物體在皮帶上傳送時(shí)，控制器開始按照磷礦皮帶運(yùn)輸機(jī)主拖動(dòng)電機(jī)工況曲線輸出控制電壓，隨著電壓的上升，磁滯制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，電動(dòng)機(jī)的電流將顯著增大。若實(shí)訓(xùn)學(xué)員未正確設(shè)置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器PID調(diào)節(jié)器，此時(shí)皮帶的運(yùn)行速度將顯著變化，若學(xué)員根據(jù)電動(dòng)機(jī)工況正確設(shè)置了變頻器PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，在電動(dòng)機(jī)電流增大的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了用單片機(jī)控制的磁滯制動(dòng)器制作實(shí)訓(xùn)電動(dòng)機(jī)模擬負(fù)載的方法，給出了模擬負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過工程樣機(jī)試制，驗(yàn)證了該方案的可行性，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于YL-235光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置。但由于市場(chǎng)上采購的磁滯制動(dòng)器，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的功率較小，當(dāng)用于本裝置時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間使用易過熱，下一步將針對(duì)如何改進(jìn)磁滯制動(dòng)器的散熱、提高其功率作進(jìn)一步研究。