變轉速液壓測控實驗臺的設計與開發*

劉 永，谷立臣

(1.湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002；2.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064；3.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

液壓傳動是機電裝備中一種常見的機械傳動方式，目前雖然理論分析與軟件仿真的方法已經日益廣泛地應用在液壓傳動的工程設計、教學及科研中，但實驗研究依然是系統和元件性能相對可靠的驗證方式。設計的專用液壓實驗臺[1,2]可以為工程設計中的產品性能進行驗證，如鋼管成型機[3]、汽車液壓齒輪轉向器[4]、液壓機械無級變速器[5]等。另外，實驗臺也可以為液壓元件、系統做性能測試，如泵[6]、閥泵并聯調速系統[7]的性能驗證實驗。

某些高校自主開發了專用的液壓教學實驗臺，滿足了個性化液壓與氣動課程教學實驗的需求[8,9]。這些實驗臺可以針對具體液壓設備、部件、元件的性能及控制方式進行實驗驗證，但實驗對象及內容單一、針對性強、擴展性差。

為了提高使用效益，在滿足教學實驗需求的同時，某些高校設計的綜合液壓測試實驗臺具有良好的擴展性，能進行元件、回路、系統的性能測試[10-12]，為科研提供了實驗平臺支撐。這些實驗臺擴展性、綜合性好，實驗內容豐富、多樣化，但動力源或是固定轉速電機加定量泵，不能改變泵輸出流量；或是大功率、大慣性的變轉速、變排量液壓系統，系統流量、執行元件速度閉環控制穩定性差，在低速度區域段比較顯著。

本文以開式變轉速液壓系統為對象，設計以工控機和LabVIEW軟件為基礎的測控實驗臺；介紹實驗臺的硬件部分、電氣控制原理及測控系統結構，分析液壓馬達轉速閉環PID控制實驗結果。

1 實驗臺總體設計

實驗臺原理圖如圖1所示。

圖1 實驗臺原理圖1—散熱器；2-1，2-2—截止閥；3—柱塞液壓馬達；4—測速齒輪；5—減速器；6—磁粉制動器；7—電流變換器；8—磁電式轉速傳感器；9—電磁換向閥；10—壓力、流量傳感器；11—單向閥；12—先導式電磁溢流閥；13—交流伺服電機；14—齒輪泵；15—濾油器；16—溫度傳感器；17—霍爾電壓/電流傳感器；18—伺服控制器；19—A/D轉換器；20—工控機；21—D/A轉換器

圖1中，液壓系統為開式的變轉速液壓系統。液壓系統動力源為伺服電機與齒輪泵；控制元件為三位四通換向閥，作用為控制液壓馬達正反轉；先導式溢流閥起到溢流保護作用，限制系統的最高加載壓力；執行元件為液壓馬達，類型是手動變量柱塞馬達。

模擬加載元件為磁粉制動器，工控機輸出的1 V～10 V的控制電壓通過電流變換器轉換為勵磁電流，使磁粉制動器產生作用在減速器輸出軸上的加載力矩，再通過機械傳動將力矩傳遞作用在液壓馬達軸上。

傳感器有流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓/電流傳感器、磁電式轉速傳感器。流量、壓力及溫度傳感器可以通過24 V的直流電源供電，磁電式轉速傳感器可以通過工控機接線端子提供的5 V的直流電源供電，電壓、電流傳感器是霍爾傳感器，可以通過自制的三相電獲取裝置輸出1 V～10 V的電壓信號。以上傳感器信號作為輸入信號通過工控機的采集卡的采集端子A/D轉化器采集下來，進入工控機里編制的LabVIEW測控軟件中。

LabVIEW測控軟件的輸出信號為伺服電機轉速控制電壓與磁粉制動器加載控制電壓，通過采集卡的采集端子D/A轉化器分別輸出到伺服控制器和電流變換器。

2 實驗臺電氣控制

實驗臺的電氣主回路如圖2所示。

圖2 電氣主回路

圖2中，伺服控制器控制輸入電壓為220 V，主回路電壓為380 V，通過接觸器KM接通電路使伺服電機得電；右邊220 V的單向交流電機為散熱器風扇電機，通過繼電器KA2接通得電。

電氣控制回路如圖3所示。

圖3 電氣控制回路

圖3中，總電源、伺服電機、散熱器電機采用的是啟動、保持、停止基本電路。

總電源通過按鈕SB1、SB2、繼電器KA1控制總電源的接通和斷開；磁粉制動器加載采用的是帶自鎖功能的按鈕SB3，按一下接通并能保持自鎖接通電路，使磁粉制動器線圈YA1接通，再按一下斷開；

SA2為手動轉換開關，中間位置處于斷開狀態，此時對應圖1中換向閥的中位，該狀態下圖1中液壓馬達沒有油液進入，即使伺服電機旋轉，油液從溢流閥溢流回到油箱，此時液壓馬達處于停止狀態；旋轉SA2到左、右位置時分別使圖1中換向閥的左右兩端電磁鐵YV1、YV2得電，可以實現液壓馬達正、反轉的切換。

圖1中，伺服電機帶有光電碼盤，可以實現從伺服控制器到電機的轉速小閉環控制;

另外，圖1中，伺服電機轉速控制選用外部輸入控制方式，工控機輸出的0～10 V的轉速控制電壓輸入伺服驅動器的XS3端子。

在LabVIEW測控軟件中，標定0～10 V電壓線性對應0～2 000 r/min轉速，可以使實際電機轉速值準確地達到目標值。

3 實驗臺測控系統結構

測控系統結構圖如圖4所示。

圖4 測控系統結構圖

圖4的測控系統結構中，筆者采用性價比高的研華工控機，采集板卡為PCI-1711，最大采樣頻率可達100 kHz，2路模擬量輸出通道分別接線連接圖1中伺服控制器和電流變換器，控制對象為伺服電機轉速、磁粉制動器加載力矩；模擬量輸入通道可以采集轉速、壓力、流量、溫度、電機電流與電壓的測量信號。

液壓馬達轉速是將圖1中磁電式轉速傳感器產生的幅值為5 V的方波信號采集后，通過在軟件中編制測速算法將轉速值測量出來；電機轉速測量是將HSV-18D-025伺服控制器的電機轉速輸出電壓端子引出，接入采集端口，將采集的電壓值與伺服控制器面板上顯示的實際電機轉速值進行標定。

電機轉矩輸出電壓也可以從伺服控制器輸出端子引出。硬件接好后，可以在工控機的LabVIEW軟件中編制不同的測控程序對上述相關的物理量進行測量和控制；也可以編制軟件程序對電機功率、液壓功率進行測量。

在液壓系統中，系統流量、液壓馬達轉速和電機的轉速相關，系統壓力和加載力矩相關，因此可以編制系統流量與壓力、液壓馬達轉速的開環、PID及模糊閉環控制程序。

4 實驗臺液壓馬達轉速PID閉環控制實驗

液壓馬達轉速閉環PID控制框圖如圖5所示。

圖5 液壓馬達轉速閉環PID控制框圖

從圖5可以看出，伺服控制器與伺服電機構成內部的一個閉環，反饋信號為光電碼盤測回的實際轉速，輸入信號為轉速控制電壓，控制器內置在伺服控制器里，該閉環控制能保證外部輸入伺服驅動器的轉速控制電壓與伺服電機實際轉速的對應關系。

外部是液壓馬達轉速大閉環控制，反饋信號為液壓馬達實際轉速，輸入信號為液壓馬達目標轉速；控制器為LabVIEW軟件里封裝的PID子vi程序控件，PID控制器輸出信號為轉速控制電壓，馬達目標轉速、電機轉速控制電壓、伺服電機實際轉速之間關系，通過液壓傳動中的公式及電機轉速標定公式換算得到。

該控制方式能保證液壓馬達轉速實際值動態達到設定值。實際轉速、壓力及流量變化曲線如圖6所示。

圖6 實際轉速、壓力及流量變化曲線

圖6中，實驗工況為設定液壓馬達轉速目標值200 r/min-600 r/min-200 r/min階躍變化，磁粉制動器加載電壓3.5 V恒定。

從圖6(a)可以看出：實際液壓馬達值能較好地維持在目標轉速值附近。

從圖6(a，b)中可以看出：在6.5 s左右液壓馬達轉速目標值從200 r/min階躍變化到600 r/min時，液壓馬達實際轉速能很好地跟隨目標值。

隨著液壓馬達轉速的加大，電機轉速從230 r/min左右階躍上升到650 r/min左右，從而使系統流量從0.03 m3/h左右階躍上升到0.25 m3/h左右。在6.5 s左右的變化時刻，實際液壓馬達轉速有較小的超調量，但由于控制方式是液壓馬達轉速PID閉環控制，當系統測得實際轉速超過目標轉速時候，可以通過PID控制器降低電機轉速控制輸出電壓，從而降低實際流量、液壓馬達轉速，使實際轉速維持在目標轉速附近；在該時刻，磁粉制動器加載電壓3.5 V恒定，系統壓力從9.5 MPa左右上升到11 MPa左右，這是由于流量增大，系統背壓增大引起的。

電機轉速變化時才會引起系統流量、液壓馬達轉速的變化，因此在階躍變化時刻，電機變化響應略早于液壓馬達實際轉速；當實際液壓馬達轉速低于目標轉速時，調節、校正過程正好相反；在20 s左右的降速時刻，液壓馬達轉速的校正及壓力、流量、電機轉速變化過程正好相反。

即使出現目標轉速變化或者外負載變化，使得液壓馬達轉速實際值偏離設定值，該控制方式也能通過調整伺服電機轉速，改變系統流量，使得液壓馬達轉速實際值動態維持在目標值附近。

5 結束語

本文介紹了變轉速液壓測控實驗臺的測控系統結構及硬件構成，并在搭建的液壓馬達轉速PID控制實驗臺上進行了實驗，結果表明，液壓馬達目標轉速200 r/min～600 r/min階躍變化時，其實際轉速值能很好地響應目標值變化，并動態地維持在目標值附近。

筆者所設計的變轉速液壓實驗臺擴展性強，可以針對流量[13]、壓力[14]、液壓馬達轉速[15]、電機功率[16]及液壓功率[17]開發多種測控實驗，滿足教學和科研的需求。