劉建良，宋憶波，林杰俊，趙鼎鼎

（1. 海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510220；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如車輛船舶、醫(yī)療器械和航天航空等行業(yè)中，都廣泛的運(yùn)用到了扭矩測(cè)量系統(tǒng)和扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)[1-2]。近年來(lái)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越長(zhǎng)遠(yuǎn)和完善。其中，扭矩是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的非常重要參數(shù)，本文將針對(duì)扭矩及測(cè)量其校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究[3-4]。

在某機(jī)構(gòu)中，其動(dòng)力系統(tǒng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)組合和非驅(qū)動(dòng)組合兩部分構(gòu)成，由于這些關(guān)鍵部件的性能直接影響此機(jī)構(gòu)的正常使用和準(zhǔn)確性。因此在研制過(guò)程中需要用專用測(cè)試設(shè)備對(duì)此組合的扭矩進(jìn)行精確測(cè)試，以考核其是否符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)某機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)組合與非驅(qū)動(dòng)組合進(jìn)行扭矩測(cè)量及校準(zhǔn)技術(shù)研究，并建立相應(yīng)的專用扭矩測(cè)量及原位校準(zhǔn)裝置。運(yùn)用參考式扭矩校準(zhǔn)裝置的基本原理對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)裝置的重要組成部分和采用的主要技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法予以研究。

1 專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)

專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)的基本工作原理見圖1。被測(cè)的某機(jī)構(gòu)組合安裝在高低溫試驗(yàn)箱中，扭矩加載系統(tǒng)通過(guò)撓性聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸給專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)加載，測(cè)量系統(tǒng)采用經(jīng)PID控制的扭矩負(fù)載系統(tǒng)給置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)組合加載。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在高低溫試驗(yàn)箱外部檢測(cè)驅(qū)動(dòng)組合的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速，并將結(jié)果傳輸給工控機(jī)，為軟件計(jì)算某機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)組合的傳動(dòng)效率提供數(shù)據(jù)，進(jìn)而測(cè)試出驅(qū)動(dòng)組合在一定工作電壓的情況下，不同負(fù)載所對(duì)應(yīng)的工作效率曲線，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)組合的性能加以考核。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

1.1 測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成

驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)控制系統(tǒng)是將測(cè)量和控制融合的典型測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PID控制的電動(dòng)制動(dòng)器提供穩(wěn)定的輸出軸負(fù)載扭矩，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在高低溫試驗(yàn)箱外部檢測(cè)驅(qū)動(dòng)組合的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速，并將結(jié)果傳輸給工控機(jī)，為軟件計(jì)算某機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)組合的傳動(dòng)效率提供數(shù)據(jù)，進(jìn)而測(cè)試出主驅(qū)動(dòng)組合在一定工作電壓的情況下，不同負(fù)載所對(duì)應(yīng)的工作效率曲線，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)組合的性能加以考核。

非驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)控制系統(tǒng)是將測(cè)量和控制融合的典型測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PID控制的電動(dòng)制動(dòng)器提供穩(wěn)定的輸出軸負(fù)載扭矩，而輸入軸的伺服電機(jī)提供恒定的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)非驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)組合上產(chǎn)生的扭矩，并將扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)提供給工控機(jī)，同時(shí)軟件以其作為判斷電機(jī)到位停止的條件，并實(shí)時(shí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，由輸出端扭矩和輸入端扭矩，即可得到組合的扭矩傳遞效率。測(cè)試過(guò)程中，控制系統(tǒng)設(shè)置到位指示、力矩過(guò)大報(bào)警、電機(jī)緊急停車等安全和防護(hù)措施。

根據(jù)信號(hào)和數(shù)據(jù)的先后將其劃分為圖2所示的3個(gè)部分。

圖2 驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)組成圖

前端傳感器檢測(cè)部分將扭矩-速度傳感器信號(hào)傳輸給下游的數(shù)據(jù)采集和磁粉制動(dòng)器控制部分；數(shù)據(jù)采集和控制完成傳感器信號(hào)的同步數(shù)據(jù)采集，同時(shí)控制磁粉制動(dòng)器按設(shè)定參數(shù)運(yùn)行；采集的數(shù)據(jù)通過(guò)硬盤寫流實(shí)時(shí)記錄，并對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出效率，并且可以將所需的歷史數(shù)據(jù)打印成報(bào)告。

1.2 主電路構(gòu)成

驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)的主電路系統(tǒng)分別由直流供電部分和交流供電部分2部分組成，其主電路的系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)主電路系統(tǒng)框圖

直流供電電路是將220 V交流電經(jīng)開關(guān)電源整流為PLC和各類傳感器所需的直流電壓；交流供電部分是將220 V交流電通過(guò)插座電源引出，供需要插座供電的設(shè)備使用。

非驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)的主電路系統(tǒng)包括伺服系統(tǒng)供電電路、直流供電電路和交流供電電路3部分。主電路系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 非驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)主電路系統(tǒng)框圖

伺服供電電路從電網(wǎng)獲取380 V交流電，經(jīng)隔離變壓器轉(zhuǎn)化為220 V交流電后為主電機(jī)的伺服控制模塊供電；直流供電電路是將220 V交流電經(jīng)開關(guān)電源整流為PLC和各類傳感器所需的直流電壓；交流供電部分是將220 V交流電通過(guò)插座電源引出，供需要插座供電的設(shè)備使用。

2 扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)

電動(dòng)制動(dòng)器輸出扭矩的穩(wěn)定性將直接影響，扭矩測(cè)量系統(tǒng)的精度，本項(xiàng)目中擬采用磁粉制動(dòng)器或伺服電機(jī)與減速器組合形成的負(fù)載模塊作為扭矩測(cè)量系統(tǒng)的負(fù)載端。采用PID控制的電動(dòng)制動(dòng)器提供穩(wěn)定的輸出軸負(fù)載扭矩，而輸入軸的伺服電機(jī)提供恒定的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)差動(dòng)組合一起運(yùn)轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)差動(dòng)組合上產(chǎn)生的扭矩，并將扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)提供給工控機(jī)，同時(shí)軟件以其作為判斷電機(jī)到位停止的條件，并實(shí)時(shí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，由輸出端扭矩和輸入端扭矩，即可得到差動(dòng)組合的扭矩傳遞效率。測(cè)試過(guò)程中，控制系統(tǒng)設(shè)置到位指示、力矩過(guò)大報(bào)警和電機(jī)緊急停車等安全和防護(hù)措施。

扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本工作原理見圖5。扭矩加載系統(tǒng)通過(guò)撓性聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸給扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)加載，傳動(dòng)軸穿過(guò)高低溫試驗(yàn)箱經(jīng)由被測(cè)件與測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器連接，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器串入測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩負(fù)載系統(tǒng)之間，并且把測(cè)量傳感器和扭矩負(fù)載系統(tǒng)通過(guò)撓性聯(lián)軸器與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩速傳感器連接起來(lái)。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)采用經(jīng)PID控制的扭矩負(fù)載系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)扭矩的精確加載，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和需校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的扭矩值，實(shí)現(xiàn)專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)。本項(xiàng)目提出了一種PID控制扭矩制動(dòng)器的精確加載的方法，采用數(shù)字PID位置式控制算法，對(duì)開展的某機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的扭矩特性測(cè)試中電動(dòng)扭矩精確加載方法進(jìn)行研究。

圖5 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理

針對(duì)驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)，這類本身不帶伺服電機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，串入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，并通過(guò)聯(lián)軸器分別與測(cè)量傳感器和電動(dòng)制動(dòng)器相連。由被測(cè)驅(qū)動(dòng)組合輸出扭矩，通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和需校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的扭矩值進(jìn)行原位校準(zhǔn)。

針對(duì)非驅(qū)動(dòng)組合專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)，這類本身帶有伺服電機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，在非驅(qū)動(dòng)組合測(cè)量系統(tǒng)原位校準(zhǔn)中需要校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器有4個(gè)，但為了降低成本，同時(shí)考慮到校準(zhǔn)的效率，故采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，先對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中的2個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，之后，對(duì)另外2個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)聯(lián)軸器分別與需校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和電動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行連接。由扭矩精確加載系統(tǒng)施加扭矩，通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和需校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的扭矩值進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 三菱PLC 實(shí)現(xiàn)PID 控制方法

電動(dòng)扭矩精確加載系統(tǒng)工作原理如下：計(jì)算機(jī)設(shè)定扭矩值，通過(guò)PID控制信號(hào)模塊后，得到輸出相應(yīng)扭矩值的數(shù)字量，然后控制D/A模塊輸出相對(duì)應(yīng)的模擬量，從而控制穩(wěn)流電源模塊輸出相對(duì)應(yīng)的電流控制電動(dòng)制動(dòng)器輸出扭矩，電動(dòng)制動(dòng)器輸出的扭矩通過(guò)傳動(dòng)軸將扭矩傳遞到輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到PID控制器中，計(jì)算出電動(dòng)制動(dòng)器輸出的實(shí)際扭矩與設(shè)定值之間的差值，將差值作為下一次的扭矩設(shè)定值輸出入到計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行PID閉環(huán)控制指令，直至電動(dòng)制動(dòng)器輸出的扭矩精度達(dá)到0.5%以下，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)扭矩的精確加載。

求出扭矩實(shí)際值與設(shè)定值之間的偏差，然后對(duì)求得其通過(guò)PID運(yùn)算，從而得出控制器輸出量，控制器輸出量通過(guò)D/A模塊、穩(wěn)流電源轉(zhuǎn)換成加載電流值，最后精確控制電動(dòng)制動(dòng)器的加載電流值，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩精確加載，見圖6。

圖6 旋轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)下PID 控制電動(dòng)制動(dòng)器精確加載扭矩系統(tǒng)

根據(jù)自動(dòng)控制原理可知，偏差信號(hào)e(k)為設(shè)定扭矩值SP(k)與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)PV(k)的差值，u(k)為控制器輸出量，N(t)為實(shí)際加載扭矩值，Kp、Ti、Td分別為PID控制系統(tǒng)的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，表達(dá)式為

離散化處理模擬的PID控制算法，可得表達(dá)式為

在如今的工業(yè)生產(chǎn)中，通?？刂七B續(xù)模擬變量是在連續(xù)變化的。由于使用PID控制器可以不必使用非常精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，而且它們非常靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，因此得到廣泛的應(yīng)用。增量式PID控制算法可以輸出每個(gè)輸出的控制量，通過(guò)邏輯判斷限制誤輸出，得到減少機(jī)器故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

針對(duì)這些問題的出現(xiàn)，本項(xiàng)目使用三菱PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量的PID控制[5-6]。

本項(xiàng)目提出的PID控制系統(tǒng)中，比例環(huán)節(jié)能夠成比例的縮小設(shè)定扭矩值與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量值的扭矩偏差，只要產(chǎn)生了偏差，控制器就應(yīng)該立即作用來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變電動(dòng)制動(dòng)器的電流值，達(dá)到降低系統(tǒng)扭矩偏差的效果[7]；積分環(huán)節(jié)不斷累加偏差信號(hào)來(lái)接近設(shè)定值；微分環(huán)節(jié)顯示了偏差信號(hào)的變化方向，為了防止偏差量太大，要及時(shí)的在系統(tǒng)中加入合適的修正量，可以縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，提高響應(yīng)速度[8-10]。

圖7為PLC控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。并可以使用以下幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 PLC 對(duì)模擬量實(shí)行PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）使用PID過(guò)程控制模塊。這種類型的模塊是由PLC制造商開發(fā)的，用戶只需要改變和設(shè)置一些參數(shù)就可以使用，可以將PID控制程序存儲(chǔ)在模塊中，這樣操作起來(lái)比較方便，一個(gè)模塊可以控制許多控制回路[11-12]。

2）使用PID功能指令。有的PLC具有PID控制的功能指令，它們可以看作子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PID 的控制，將A/D與D/A模塊一起使用，能達(dá)到與PID過(guò)程控制模塊相似的效果。

3）使用自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。由于用戶對(duì)PID控制算法的不同需求，用戶可以編寫自己需要的PID控制程序[13-14]。

PID控制是基于“動(dòng)作方向”設(shè)置的正或負(fù)PID操作，PID公式為

式（3）～式（7）中：ΔMV為2次采樣時(shí)PID輸出量的差值；MVn為本次的PID輸出量，EVn和EVn-1分別為本次與上一次采樣時(shí)的誤差；SV為設(shè)定值；PVn、PVnf-1和PVnf-2分別為本次、前一次和前兩次濾波后的反饋值；L為慣性數(shù)字濾波的系數(shù)；Dn和Dn-1分別為本次和上一次采樣時(shí)的微分部分；Kp為比例增益；Ts為采樣周期；Ti為積分時(shí)間和Td為微分時(shí)間；ɑd為不完全微分的濾波時(shí)間常數(shù)與Td的比值。

對(duì)以上的理論分析做出如圖8對(duì)電機(jī)PID仿真的MATLAB/Simukink模型。

圖8 電機(jī)PID 仿真Simulink 模型

3.1 硬件模塊

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用三菱FX5U系列PLC作為主控單元，其組態(tài)配置見圖9。

圖9 PLC 組態(tài)配置圖

非驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用三菱FX5U系列PLC作為伺服系統(tǒng)的主控單元，其組態(tài)配置見圖10。

圖10 PLC 組態(tài)配置圖

3.2 軟件模塊

扭矩測(cè)量系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，操作界面簡(jiǎn)單直觀，測(cè)試參數(shù)設(shè)定方便快捷[15]。

測(cè)控系統(tǒng)軟件按要求需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）測(cè)量功能。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩。

2）自檢功能。測(cè)量前可分別 對(duì)伺服電機(jī)、磁粉制動(dòng)器及各傳感器模塊進(jìn)行自檢。

3）參數(shù)設(shè)置。安裝完成后，只需設(shè)定采樣頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，即可自動(dòng)完成測(cè)量。

4）實(shí)時(shí)顯示功能。測(cè)量過(guò)程中，界面實(shí)時(shí)顯示各傳感器測(cè)量曲線。

5）數(shù)據(jù)處理與分析功能。利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算，計(jì)算出傳動(dòng)效率。

6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。測(cè)量過(guò)程中，將采集的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)以指定格式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至指定位置。

整體設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，遵循模塊獨(dú)立原則并設(shè)置安全保護(hù)功能見圖11。

圖11 扭矩測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖

運(yùn)行軟件之后，自動(dòng)對(duì)扭矩測(cè)量系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，完成初始化后需要通過(guò)儀器自檢程序。測(cè)量前可分別對(duì)伺服電機(jī)、磁粉制動(dòng)器及各傳感器模塊進(jìn)行自檢，若儀器無(wú)故障便可進(jìn)入測(cè)量功能，否則回到初始化后的狀態(tài)，待查出儀器故障并將其排除后才能進(jìn)入測(cè)量功能。

在測(cè)量功能中需要先進(jìn)行傳感器參數(shù)（設(shè)定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器比例和設(shè)定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器偏置）的設(shè)置，以確保能夠通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)得到較好的校準(zhǔn)效果。輸入正確參數(shù)之后，可進(jìn)入測(cè)量項(xiàng)目的選擇，待磁粉制動(dòng)器和傳感器等設(shè)備通訊正常，在測(cè)量界面輸入控制參數(shù)（設(shè)置轉(zhuǎn)速和采樣率）則可運(yùn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量, 并利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算，計(jì)算出傳動(dòng)效率。在運(yùn)行完指定的次數(shù)之后，電機(jī)自動(dòng)停止，等待數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印或下一次測(cè)量[16-17]。

4 結(jié)論

本文圍繞某機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)組合與非驅(qū)動(dòng)組合的專用測(cè)量系統(tǒng)及扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的研究，首先分析了專用扭矩測(cè)量系統(tǒng)的基本工作原理及其測(cè)控系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)組合與非驅(qū)動(dòng)組合的構(gòu)成；其次分析了扭矩測(cè)量原位校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本工作原理，提供了一種PID控制扭矩制動(dòng)器精確加載的方法，采用數(shù)字PID位置式的控制方法，對(duì)扭矩特性測(cè)試中的電動(dòng)扭矩精確加載方法進(jìn)行研究；最后，對(duì)PLC實(shí)現(xiàn)其中PID控制模塊的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析介紹。