基于自適應閉環(huán)精確控制的電源軟線拉力/扭矩試驗關鍵技術研究

周俊杰 徐建楚 梁佳娜 章仁杰 何曉波 馮偉平

（浙江方圓檢測集團股份有限公司 杭州 310018）

引言

家用電器的安全直接關系到人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，突出的危險包括人員觸電、機械危險、火災、輻射等。GB 4706國家強制系列標準對家電產(chǎn)品的危險防護能力進行了具體規(guī)定，標準的嚴格執(zhí)行有力的保障了人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。但在歷次的國家監(jiān)督抽查、省級和地方監(jiān)督抽查中，不合格情況屢有發(fā)生，產(chǎn)品質量問題不容忽視，“電源連接和外部軟線”是經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)的不合格項目之一。

“電源連接和外部軟線”作為GB 4706系列標準中的一個關鍵安全項目，考核器具的電源軟線及其連接方式是否安全可靠[1]。通過檢查電源軟線參數(shù)，進行電源軟線拉力/扭矩、彎曲等試驗，確保滿足標準規(guī)定要求。常見的產(chǎn)品不合格現(xiàn)象：器具的電源軟線固定不可靠，受到拉力/扭矩時，可以被拉出，如圖1所示?？赡軐е码娫窜浘€從接線端子處松脫，存在短路起火風險。如果電源軟線斷開后被全部拉出，更可能導致人員觸電?？梢?，電源軟線拉力/扭矩試驗是家電產(chǎn)品安全考核的一項重要內容。

圖1 電源軟線拉力/扭矩試驗不合格案例

1 電源軟線拉力/扭矩試驗方法

根據(jù)強制國標GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》第25.15條的要求：在最不利的方向上，對電源軟線施加25 次規(guī)定的拉力，每次持續(xù)1 s，不得使用爆發(fā)力；施加持續(xù)1 min的規(guī)定扭矩。試驗期間，電源軟線不應損壞，也不應在各個接線端子處受到明顯的張力。然后再次施加拉力，電源軟線的縱向位移不應超過2 mm[2]?？梢?，標準對施加拉力/扭矩的大小、施加的時間、次數(shù)等進行了規(guī)定。還明確提出了“不得使用爆發(fā)力”的要求。

2 國內外同類研究現(xiàn)狀分析及存在問題

GB 4706.1-2005等同采用了國際標準IEC 60335-1:2004（Ed4.1），因此國內外實驗室使用的電源軟線拉力/扭矩試驗機通常采用類似的結構。

對于拉力試驗，一般采用拉力砝碼+凸輪結構，如圖2所示，用砝碼的重量來施加拉力；用凸輪的轉速調節(jié)來控制拉力的間歇施加時間，這種結構的特點是：拉力較穩(wěn)定，但一般在設備計量時，直接對砝碼重量進行校準，拉力由重量乘以重力加速度換算得到，由于不同地點的重力加速度不為常值，與直接測量拉力相比，額外引入了一個主要的不確定度分量，重力加速度的變化會直接影響對電源軟線施加的拉力大小。凸輪的形狀和轉速決定了拉力的施加時間和施加間隔，但由于試驗時電源軟線的伸長長度不盡相同，在試驗過程中，隨著電源軟線的逐漸伸長，凸輪上的受力點發(fā)生位移，電源軟線的受力時間相應減小，例如第一次施加拉力的時間為1 s，第二次的加力時間已經(jīng)小于1 s，當?shù)?5 次加力時，甚至加力時間可能已經(jīng)小于0.9 s。電源軟線的受力伸長是拉力施加時間的一個主要不確定度分量。而且凸輪的形狀決定了施加拉力的變化曲線，較大的曲率變化將導致電源軟線受到爆發(fā)力。

圖2 電源軟線拉力試驗示意圖

對于扭矩試驗，一般采用扭力電機施加扭矩，其特點是：扭矩波動較大，一般在設定值的上下作來回波動，導致試驗中對電源軟線施加了額外的扭矩加速度，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)行電源軟線扭矩試驗機扭矩曲線

綜上所述，現(xiàn)行的電源軟線拉力/扭矩試驗機在拉力偏差、時間偏差、扭矩波動等方面存在技術缺陷，對試驗的結果產(chǎn)生影響，尤其是試驗結果在判定值臨界情況時，存在誤判的風險（在不確定度范圍內）。

3 新型電源軟線拉力/扭矩試驗機的設計方案

本文研究一種基于自適應閉環(huán)精確控制的電源軟線拉力/扭矩試驗技術。 通過采用新型驅動結構、閉環(huán)控制方式、優(yōu)化加力、釋力曲線，解決拉力/扭矩偏差、時間偏差、拉力/扭矩波動、加力時的上升爆發(fā)力等對電源軟線拉力/扭矩試驗的影響，提高檢測準確性，避免誤判風險，減小測量不確定度。

3.1 采用新型施力機構，解決拉力波動過大的問題

研究基于直線電機的恒定拉力驅動機構，機構示意圖如圖4所示。直線電機是一種將電能直接轉換為直線運動機械能的傳動裝置，它不需要經(jīng)過任何中間機械機構的轉換[3]。具有起動推力大、傳動剛度高、動態(tài)響應快、定位精度高等優(yōu)點。

圖4 新型電源軟線拉力試驗機構示意圖

采用直驅施力方式，研發(fā)對位移擾動不敏感的直線電機恒定力驅動機構。充分發(fā)揮直線電機電壓波形/電流控制靈敏、電磁行波驅動力穩(wěn)定的特點。同時通過自定義施力/釋力曲線波形，使得拉力上升和下降更平緩，避免爆發(fā)力。

3.2 采用基于嵌入式系統(tǒng)的自適應閉環(huán)控制技術[4]，解決拉力/扭矩平均值偏差較大、扭矩波動過大的問題

通過拉力/扭矩傳感器，實時反饋拉力/扭矩數(shù)據(jù)給單片機，單片機比較設定值和反饋值，并采用PID控制自動調節(jié)磁力大小，使施加的拉力/扭矩保持穩(wěn)定，控制框圖如圖5所示。

圖5 自適應閉環(huán)控制框圖

采用“仿人調節(jié)”來優(yōu)化PID控制[5]，通過調整和完善PID參數(shù)的控制規(guī)則，實現(xiàn)在線自動調整PID參數(shù)。常規(guī)PID調節(jié)器無法解決閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量、穩(wěn)態(tài)精度等之間的矛盾。采用較高的比例系數(shù)，在加快系統(tǒng)響應速度的同時，更容易發(fā)生超調，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。采用較高的積分系數(shù)，在消除穩(wěn)態(tài)偏差的同時，必然減緩控制系統(tǒng)的響應速度。采用較高的微分系數(shù)，在改善系統(tǒng)動態(tài)相應特性的同時，又會延遲系統(tǒng)的調節(jié)時間。通過仿人調節(jié)，來提高PID控制系統(tǒng)的響應能力和響應效果。在控制初期，為避免積分飽和，采取較小的積分系數(shù)，此后根據(jù)偏差變化率的大小來相應的調整積分系數(shù)。當偏差較大時，自動選擇適當大的比例系數(shù)、微分系數(shù)，讓系統(tǒng)快速上升，但又不會產(chǎn)生過大的超調量；當偏差變小時，適當減小比例系數(shù)、微分系數(shù)，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

3.3 采用基于遺傳優(yōu)化控制算法，解決由于電源軟線伸長導致的拉力施加時間偏差過大問題

單片機實時記錄歷次拉力施加時間，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和計算，調節(jié)和控制當次的拉力施加時間。

3.4 優(yōu)化拉力試驗的加力/釋力曲線，解決爆發(fā)力問題

通過對加力/釋力曲線的優(yōu)化研究，依據(jù)比對試驗結果，研究一種拉力的加力/釋力曲線，確保電源軟線不受到爆發(fā)力。

4 新型電源軟線拉力/扭矩試驗機的研究成果

本項目的研究工作主要包括直線電機恒定拉力驅動機構的研制、機械控制機構的研制、數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)精確控制軟件的開發(fā)，試驗機如圖6所示。

圖6 新型電源軟線拉力/扭矩試驗機

1）直線電機恒定拉力驅動機構的研制。恒定拉力/扭矩的整體驅動機構（如圖7所示）直線電機恒定拉力驅動機構是電源軟線拉力/扭矩試驗機的核心部件，如圖7所示，它的精確控制和平穩(wěn)運行決定了拉力試驗的主要性能指標。該機構采用直線電機的工作原理，動子線圈產(chǎn)生電磁行波，作用于定子鐵芯，動子和定子之間產(chǎn)生恒定的驅動力，在動子小位移或零位移狀態(tài)下，實現(xiàn)對拉力的穩(wěn)定控制。拉力直驅控制裝置包括兩種運行模式：①低速移動運行模式。采用無速度傳感器的矢量控制算法，在動子上產(chǎn)生直線移動的行波磁場，與定子永磁體的勵磁磁鏈相互作用，產(chǎn)生并保持預期拉力，電源線在設定的低速移動狀態(tài)下被拉緊。②恒定拉力運行模式。當電源線拉緊后，拉力直驅控制裝置處于“堵動”狀態(tài)，如果繼續(xù)采用低速移動模式，將產(chǎn)生爆發(fā)力和拉力抖動，需要自動切換模式，進入固定電磁空間矢量的拉力反饋閉環(huán)控制模式。此時，電磁空間矢量保持在拉力達到設定值的那一時刻的角度，即電壓空間矢量也保持在那一時刻的角度不變。把拉力傳感器的輸入作為PID的負反饋，通過PID調節(jié)器來控制電壓空間矢量的大?。ｉL），從而自動調節(jié)勵磁電流的大小來實現(xiàn)拉力的閉環(huán)精確控制。

圖7 恒定拉力/扭矩的整體驅動機構

2）機械控制機構的研制。通過對機械控制機構的合理設計，把施加拉力的直線電機恒定力驅動機構、施加扭矩的伺服電機、機械傳動機構、拉力/扭矩傳感器和電源軟線夾緊裝置集成為一體緊湊結構，實現(xiàn)直接驅動、實時數(shù)據(jù)采集和便捷的工裝安裝，為控制軟件開發(fā)提供適用的硬件基礎，如圖8所示。

圖8 機械控制機構

3）數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)精確控制軟件的開發(fā)。采用基于虛擬儀器的LabVIEW開發(fā)平臺，開發(fā)直線電機恒定力驅動機構的控制程序、伺服電機控制程序和拉力/扭矩傳感器實時采集程序，并采用自適應閉環(huán)軟件控制算法，實現(xiàn)對拉力/扭矩的精確控制。同時減小拉力在加力/釋力過程中的位移擾動，消除爆發(fā)力。采用遺傳優(yōu)化控制算法，通過對歷次拉力施加時間的分析比對，調節(jié)和控制本次拉力施加時間，使施力時間更準確。

6 結語

本文研究了一種新型電源軟線拉力/扭矩試驗技術。研制了一種直線電機恒定力驅動機構，采用基于自適應閉環(huán)精確控制方式，大大提高了電源軟線拉力/扭矩的施加精度，拉力施加偏差≤2 %或1.5 N（取較大者），扭矩施加偏差≤5 %或0.01 Nm（取較大者），拉力/扭矩施加時間偏差≤1 %或10 ms（取較大者）；同時有效避免了電源軟線受到爆發(fā)力的影響，提高了檢測準確性，降低了誤判風險。該技術的推廣應用，將有效提升第三方檢測機構、企業(yè)實驗室的試驗準確度，為電器產(chǎn)品質量控制和質量提升提供保障。