[NI技术资料]动力传输和运动控制.doc

NI技术资料动力传输和运动控制LabVIEW的 优点在于其拥有高度 抽象的图形开发界 面，在开发自动化应 用时，该界面隐藏了 许多编程细节（虽然 用户也可以深入研究 这些细节）。NI的 最新技术扩展使 LabVIEW成为 了更加实用的真实世 界的自动化环境，它 包含一个新的运动控 制模块，新的伺服驱 动器和步进驱动器， 以及许多可编程自动 化控制器。 - Alan Brown, National Instruments The Challenge: 混合动力车和冷却塔 的动力系统的共同之 处在哪里？ Baldor电气公 司指出，两者的共同 点在于传动系统和控 制器。混合动力车将 永磁直接驱动电机与 变速控制器连接了起 来。现在 Baldor公司也 将类似系统应用于冷 却塔风机。 The Solution: Baldor公司新 推出的RPM AC 冷却塔电机和 VS1CTD变速控 制器专为上述应用而 开发。该公司称，与 类似感应电机相比，美国国家仪器公司最 的新的软件和驱动界面接口使得在 LabVIEW内进 行动作运动控制的编 程更加简单和实用。Author (s):Alan Brown - National Instruments从混合动力车到冷却 塔由层压钢翅片框架结 构，和高强度永磁体 构成的电机具有更好 的功率密度、转矩 （尤其在部分负载 时）及效率。 混合动力车和冷却塔 的动力系统的共同之 处在哪里？ Baldor电气公 司指出，两者的共同 点在于传动系统和控 制器。混合动力车将 永磁直接驱动电机与 变速控制器连接了起 来。现在 Baldor公司也 将类似系统应用于冷 却塔风机。 Baldor公司新 推出的RPM AC 冷却塔电机和 VS1CTD变速控 制器专为上述应用而 开发。该公司称，与 类似感应电机相比， 由层压钢翅片框架结 构和高强度永磁体构 成的电机具有更好的 功率密度、转矩及效 率。 Baldor公司使 用了变速控制器以更 低的速度来操作电 机。这正是永磁电机 的优势所在，因为作 为同步运转的永磁电 机可以在非常精确的 部分转速下达到恒定 转矩。 这在能耗方面会造成 很大的差别。尽管冷 却塔设计用于最坏的 情况,然而风机的运 行通常很慢。由于电 机的输入功率随电机 转速的立方变化，以 一半转速操作电机消 耗的功率仅为正常转 速操作电机所消耗功 率的1/8。 我们可以对 RPM AC永磁电 机和VS1CTD控 制器进行快速地调 谐，使之进入工作状 态。另外，控制器带 有图形键盘，可以引 导用户进行设置和维 护诊断。 尽管永磁电机比感应 电机要贵很多， Baldor公司认 为该系统还是很经济 的。由于它使用一个 电子控制器就代替了 齿轮、传动轴以及其 它传动部件，同时还 降低了能耗，因此从 长远来看，该系统是 更加经济的。 使用混合燃料提高效 率 威斯康星大学麦迪逊 分校的研究人员称， 将柴油和汽油混合使 用能够改善柴油机的 燃油效率平均约 20%，同时可以达 到美国政府有关气体 排放的法令，无需昂 贵的污染控制设备。 尽管快速响应的燃料 混合技术需要对柴油 机进行修改，并需要 分别盛装柴油和汽油 的独立燃油箱，但现 在柴油机直接使用泵 内的燃料。一位领导 该研究的机械工程师 Rofl Reitz认为，该 技术同样可以应用在 汽油机上。 Reitz估计，如 果所有内燃机车都使 用双燃料电机，能效 将达到53%，这样 的话美国将可以节省 1/3的运输用油， 或每天节约近400 万桶燃油。 工业界明显正在关注 该研究。能源部和威 斯康星大学的柴油机 减排联盟拥有24个 工业合作伙伴，他们 正在支持Reitz 的研究。 燃料混合的快速响应 需要在发动机的燃烧 室内完成。通常情况 下，汽油无法在柴油 机内燃烧，因为它的 反应性比柴油差。但 当Reitz将两种 燃料一起喷入燃烧室 时，柴油可以点燃汽 油。 该混合技术将柴油与 汽油的混合比与运行 条件相匹配。在高负 载下，比如加速或爬 山，混合燃料内汽油 的比例可能达到 85%。而在较轻负 载条件下，汽油比例 可以降到50%。 据Reitz所说， 使用混合燃料时，柴 油发动机温度降低了 40%，这就降低了 由于热传输造成的能 源损失。此外，控制 柴油和汽油的比例不 仅改善了燃烧效率， 而且减少了废气排 放。实际上，该技术 使卡车可以满足环境 保护署有关颗粒物和 氮氧化合物的强制排 放水平，而无需购买 昂贵的催化还原或废 气再循环设备。 Reitz使用了计 算机模型研究混合方 案。这使得他可以在 使用卡特彼勒重型柴 油机进行试验前，对 动力方案进行数千次 模拟及优化。测试证 实了模型的预测效 果。最好的测试热效 率达到了53%，比 传统柴油机高 20%。事实上，该 比例比商用发动机 （用于海运的涡轮增 压二冲程柴油机）的 金质标准还高。 “更令人关注的是， 该混合方案同样适用 于车用汽油发动机， 这种发动机的平均热 效率更低，只有 25%，” Reitz说，“因 此，汽油发动机燃油 经济性的改善潜力比 柴油卡车发动机更 大。” 更简单的多轴应用 1/7一些使用 LabVIEW软件 的新产品旨在让复杂 制造系统的设计和控 制更简单。23年 前，美国国家仪器公 司（NI）发布了 LabVIEW，旨 在让PC机可以进行 复杂的科学和工程测 量。现在它已经转变 为通用软件，可以定 义I/O，可以进行 测量，并且可以在单 一开发环境中建立并 执行控制系统。 LabVIEW的 优点在于其拥有高度 抽象的图形开发界 面，在开发自动化应 用时，该界面隐藏了 许多编程细节。NI 的最新技术扩展使 LabVIEW成为 了更加实用的真实世 界的自动化环境，它 包含一个新的运动控 制模块，新的伺服驱 动器和步进驱动器， 以及许多可编程自动 化控制器。 LabVIEW NI SoftMotion 模块简化了高级单轴 和多轴运动控制，允 许用户通过基于开源 PLCopen动作 控制库的功能模块访 问强大的运动规划 图。PLCopen 函数包括直线运动、 弧线运动、轮廓运动 以及电子齿轮和凸轮 传动。 SoftMotion 界面还提供了比如轨 迹生成、样条插值以 及位置和速度控制等 强大功能。 SoftMotion 还可以让工程师使用 SoftMotion 运动规划图对在 SolidWorks 3D CAD中创建 的设计进行仿真。 NI新的C系列驱 动接口模块可以让 LabVIEW用户 将数百个NI或第三 方驱动器和电机引入 运动系统。NI 9512模块与步进 驱动器和电机相连， 而NI 9514模 块（单编码器）和 NI 9516模块 （双编码器）与伺服 驱动器和电机相连。 由于驱动器通常是密 集处理型，所有三个 模块实行板上处理从 而释放控制器的主处 理器。 NI新的自动化平台 的第三个核心部分就 是其 CompactRIO 系列可重新配置、可 编程的自动化控制 器。 CompactRIO 使用嵌入式芯片实现 高速度和高可靠性。 新增的NI 9144具有确定性 的以太网扩展机箱， 可以串连 CompactRIO 和其它NI工业级控 制器以创建分布式运 动应用。该公司同时 推出了一款独立 CompactRIO 工业控制器。 适用于低碳发动机的 润滑油 许多国家都在考虑规 范车辆的碳排放。降 低碳排放有许多方 法，包括使用混合动 力车、充电式电动汽 车、柴油机废气再循 环以及减少排量。有 一种技术人们很少讨 论，那就是使用高级 润滑油。 英国工程研究顾问 Ricardo plc正在组织创建 一个联盟，该联盟由 汽车制造商、一级供 应商、燃油及润滑油 添加剂制造商以及政 府机构组成，旨在解 决一些润滑剂方面的 难题。该联盟将首先 关注废气再循环产生 的碳烟问题、下一代 发动机，超低粘度润 滑剂、润滑剂对排放 的影响以及未来发动 机的后处理性能。 废气再循环系统将 排放的气体循环至发 动机，从而降低氮氧 化物的排放。但这会 产生碳烟，并最终停 留在发动机的润滑剂 内。碳烟会造成摩 擦、吸收润滑添加剂 以及制造润滑膜间隙 （会产生热斑）从而 磨损设备。目前尚不 清楚何种条件为磨损 的主因。 现在废气再循环系统 仅使用在高负载柴油 机上。但形势可能会 发生改变，工程师正 在尝试在不减少动力 的情况下而缩减汽油 机的尺寸。由于更 小，更热的发动机通 常具有更小的碳足 迹，同时会产生更多 的氮氧化物。废气再 循环是一种控制NO 氮氧化物排放的方 法。Ricardo 计划照射发动机部件 并测量放射性磨损颗 粒以掌握磨损机理， x 从而有助于化学家制 造出可以在各种条件 下处理碳烟的润滑 剂。 生物燃料，特别是生 物柴油（在欧洲广泛 应用），可能会被氧 化并形成黏胶和沉积 物，从而改变润滑油 的粘度。该燃料还含 有活性化学成分，会 导致密封变脆，腐蚀 软金属表面，并将 铅、锡、以及铜从轴 承钢合金中浸出。乙 醇会增加润滑剂的水 溶性或氧化从而形成 腐蚀性化学物质。 Ricardo的项 目将关注润滑剂如何 帮助电机经受这些挑 战。 化学家们长期以来一 直寻求平衡粘度和润 滑性的方法。尽管高 粘性润滑剂可以形成 牢固的低摩擦膜，但 是发动机必须消耗更 多能量来克服其粘 性，这会导致附加功 率损失。 Ricardo正致 力于新的超低粘度润 滑剂的研究。 润滑剂的研发可能依 赖于发动机的重新设 计，采用滚动接触替 代滑动接触，并在运 动部件上采用类金刚 石碳和其它超光滑表 面涂层。 Craig Goodfellow 负责指导 Ricardo的燃 料和润滑剂项目，他 说：润滑剂的其它改 进也可能需要重新设 计发动机；在过去， 发动机和燃料的开发 促进了润滑剂的改 进。 Goodfellow 认为，润滑剂的进一 步改进可能需要更加 综合的方法，而这正 是该联盟希望证实 的。 改善风机可靠性的系 统方法 多年以来，工业界要 求提高效率的呼声不 断。这就意味着，风 机需要在更高的温度 下运行。风机通常在 高速和低径向负载下 运行，带动着含有颗 粒的空气，这些空气 会在叶轮表面不均匀 沉积，从而使其失去 平衡。 根据美国SKF公司 提供的信息，提高发 动机运行温度的措施 会加热轴承、降低轴 承润滑油寿命以及引 起轴承故障，从而导 致计划外的风机故障 停车和生产损失。因 此，SKF称其每天 至少接到一个热相关 的风扇故障紧急电话 就不足为奇了。 现在SKF已经启动 了一项升级服务，称 其可以延长轴承和润 滑剂的使用寿命，降 低维护成本，以及改 进工业风机的可持续 性。此次升级结合了 自动循环润滑系统和 由优化的轴承、外壳 和密封组成的工具 包。 公司估计润滑问题至 少占全部轴承提前失 效原因的36%。 SKF使用中央系统 对系统的每个风扇输 送精确数量的润滑 剂，同时避免过度润 滑。 SKF公司的轴承工 具包通常包括带轴承 座外壳的自对准轴 承，以及有助于改善 散热效果的专用密封 件。轴承座外壳计用 于从轴承中吸取热量 同时提供精确、高刚 度的支撑。 在非定位位置，自对 准轴承使用公司的 CARB环形滚子轴 承，在定位位置，使 用球形滚子轴承。环 形轴承可以适应风机 轴的热膨胀，并在工 作中减少摩擦、降低 温度、减少振动以及 功耗，同时可支持更 高的风机转速。 SKF还提供状态监 控系统，包括用于警 示可能发生轴承故障 的系统直至更高级的 预测性维护系统。 Author Information: Alan Brown Nati