（测试计量技术及仪器专业论文）液力变矩试验台的研究与开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 7 0 年代以来，微处理器的问世促使微型计算机技术迅速发展和应用，在世界 范围内引起了新一轮的技术革命。作为微型计算机应用技术的一个重要分支 微机自动测试技术是集数据采样与处理技术、传感技术、控制技术和微机技术于 一体的一门综合性技术。在测试系统中利用计算机技术和传感技术，能迅速地对 各种工艺参数进行采集和数据处理，从而实现生产过程的自动控制。因此，随着 这些技术的发展，自动测试技术在生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。 本论文以实际课题为基础为山东推土机总厂设计和开发的液力变矩器自 动测试、控制试验台。结合研究开发中遇到的实际问题，着重对该试验台的整体 构造、电气控制部分、传感器部分以及计算机软件作了介绍。其主要研究内容和 成果如下： 1 针对传统测试平台自动化程度低，手动测量误差大等问题，结合山东推土 机总厂液力变矩器的产品特点，给出测试试验台的总体设计，合理选择平台硬件， 设计测试流程。 2 针对原有直流电机调速方法对电网反馈较大，影响工厂正常生产，同时电 机转速难以稳定等问题，采用t c 直流电机驱动器m e n t o r i i 对电机进行无级调 速，避免了对电网系统的高反馈。文章着重阐述了调速系统中m e n t o r i i ，三菱 p ic _ - f x 2 n 与计算机三者之间的数字通讯。 3 分析了j c 型转矩转速传感器的原理以及在本系统中的应用。针对现有扭矩 传感器不能测量静态扭矩，精度低，接触式测量稳定性差等问题，研制了新型的 激光衍射扭矩传感器。( 已申请国家专利) 文章详细阐述了新型传感器的原理、构 造以及对衍射图像的分析处理。 4 计算机控制软件方面详细介绍了在w m d o w s 2 0 0 0 环境下用v c + + 开发设计 的试验台测控软件。重点阐述了微机自动测试系统软件设计开发过程中的关键技 术，如与数据采集卡的通讯、液力变矩器性能参数曲线的精确绘制等。 5 针对三次样条插值法拟合某些参数曲线时出现的失真情况，选择阿克玛插 值法对试验结果进行拟合，综合比较两种拟合方法的优劣，为试验者提供了更好 的数据处理选择。 关键词：液力变矩试验台，自动化测量，直流电机驱动器，可编程逻辑控制器， 激光衍射扭矩传感器，v c + + ，串行通信，阿克玛插值法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u i c kd e v e l o p m e n ti nm i c r o c o m p u t e rt e c h n i q u ew i t he x t e n s i v ea p p l i c a t i o n , u r g e db ym i c r o p r o c e s s o rt h a tb e i n gp u b l i s h e ds i n c e7 0 s , c a u s e dan e wt e c h n i q u e s r e v o l u t i o nw i t h i nt h e s c o p e o fw o r l d t h ea u t o m a t i ct e s t i n gt c c n o l o g yw i t h m i c r o c o m p u t e r ，a sa ni m p o r t a n tb r a n c h o fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n , i sa s y n t h e s i z e d t e c h n i q u e w h i c hi n c l u d e sd a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g ，s e n s i n gt e c h n i q u e ，c o n t r o l l i n g t e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y a l lk i n d so ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sc a nb e s a m p l e da n dp r o c e s s e dq u i c k l yt or e l i z ea u t o m a t i cc o n t r o l l i n go fp r o d u c t i o np r o c e s sb y u s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n ds e n s i n gt e c h n i q u ei nt e s t i n gs y s t e r m t h e r e f o r e ，a l o n g w i t l lt h e s et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t s t h ea u t o m a t i ct e s tt e c h n i q u ep l a y st h em o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t i o n t h i st h e s i sb a s e do nt h ep r o j o c to fh y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r t e ra u t o m a t i c t e s t i n g b e dw h i c h d e s i g n e d f o r s h a n d o n g b u f l d o z e r f a c t o r y t h e u n i t c o n s t r u c t i o n , e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m ，s e n s o rp o r t i o n a n d c o m p u t e r s o f t w a r ei s s p e c i f i e d ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o b l e mm e ti nr & d t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d a sf o l l o w s ： 1 c o n s i d e r i n gt h el o wd e g r e eo fa u t o m a t i o na n dh i g hd e v i a t i o no fm a n u a l t e s t i n g w h i c hb e l o n gt ot h et r a d i t i o nt e s t i n gb e d ，an e wt e s t i n gb e di sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h e r e a s o n a b l ec h o i c eo fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g np l a no ft e s t i n gf l o w a c c o r d i n gt ot h e p r o d u c tc h a r a c t e r i s t i c so fs h a n d o n gb u l l d o z e rf a c t o r y 2 c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fd cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o nw h i c hf e e d sb a c ks o s t r o n g l yt ot h ep o w e rn e t w o r kt h a td i s t u r bt h em n o f t h e m i l lp r o d u c t i o no ff a c t o r ya n d t h et m s t a b i l i 哆o fm o t o rs p e e d ，t h et cd r i v e ro fd cm o t o r ，m e n t o r i i ，i su s e dt o r e g u l a t es p e e ds t e p l e s sa n dt h es t r o n gb a c k f e e do fp o w e rn e t w o r k c a l lb ea v o i d a b l e t h e c o m m u n i c a t i o na m o n gm e n t o r i l m i t s u b i s hp l c - - f x 2 na n dc o m p u t e ri s s p e c i f i e d 3 t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fs p e e d t o r q u es e n s o rt y p e dj ci nt h i ss y s t e mi s a n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fe x i t i n gt o r q u es e n s o rw h i c hc a nn o tt e s tt h e s t a t i ct o r q u e h a sac h a r a c t e ro fl o wp r e c i s i o na n d u n s t a b i l i t yc a u s e db yc o n t a c t i n gw i t h 江苏大学硕士学位论文 t h er o t a t e ds h a f t an e w t y p eo fl a s e rd i f f r a c tt o r s i o n m e t e ri sd e v e l o p e d ( a p p l i e df o rt h e n a t i o n a lp a t e n t ) t b ep r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o na n da n a l i s i so fd i f f r a c ti m a g ei ss p e c i f i e d 4 r e g a r d i n g t h es o f t w a r eo fc o m p u t e rc o n u o l t e s tw h i c hd e s i g n e du n d e r w i n d o w s 2 0 0 0 ，d e t a i l e di n t r o d u c t i o ni sm a d et od i s c u s st h ec o r et e c h n o l o g yo fs o f t w a r e d e v e l o p m e n ts u c h 弱c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd a t as a m p l i n gc a r da n dc o m p u t e r t h e d r a w i n go fc u r v e w i t ht h ed a t as a m p l e d ，e e t 5 c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fc u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nw h i c hi s d i s t o r t i o n a lt od r a ws o m ec u r v e s , a k i m ai n t e r p o l a t i o nf u n c t i o ni sc h o o s e nt of i td a t a t h e b e t t e rw a yt o p r o c e s sd a t af o rt e s t e ri so f f e r e db yt h ec o m p a r i s o no ft h et o wf i t t i n g f u n c t i o n s k e yw o r d s ：h y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r t e rt e s t i n gb e d , a u t o m a t i ct e s t , m e n t o r i i ， p l c - - f x 2 n ，l a s e rd i f f r a c tt o r s i o n m e t e r , v c + + ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， a k i m ai n t e r p o l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 飞秣 指导教师签名： 羟司铱 汐- 年坼日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：体祖 日期：7 年月f 午目 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 测试技术的作用及其发展 科学技术的发展促进测试技术的发展，同时，测试技术的发展又促进科学技 术的提高，两者相辅相成。在现代，科学技术和测试技术的关系比任何时候更为 密切，离开了测试，科学技术也很难发展1 1 1 。 在科技高度发达的现代，先进的测试系统所起的作用越来越大。在精密机械 的生产加工过程中，如果仍然用陈旧的测试方法，即经过几个加工过程后进行人 工质量检测的方法，对时间和人力都是极大的浪费，而且测量结果误差系数大， 结论不可靠。事实上，现代精密机械的检测，早已摈弃了人工手动检测的方法， 而代之以在计算机的控制下，建立完整的测试平台，实现检测的自动化、精确化 和标准化。 自动测试技术是在最近4 0 多年发展起来的。在最初十多年间，虽然取得了一 定成功，但终因测试系统结构庞大、代价高昂，没有得到广泛应用。直到6 0 年代， 由于半导体集成电路和数字计算机的迅速发展，各类型号的自动测试系统才相继 出现。这段时间的自动测试系统基本上具备了精度高、速度快、功能强的优点， 而且有一定的数据分析和处理能力。但这些系统都是由分离元件和中小规模集成 电路组成，其可靠性不高，且大多数是专用系统，缺乏通用性和灵活性。7 0 年代， 由于大规模集成电路飞速发展和微机处理器问世，加快了自动测试系统发展的步 伐。特别值得提出的是，6 0 年代后期出现了c a m a c 标准接口系统，7 0 年代初期 出现了g p i b 通用接口系统，8 0 年代后期又出现了v x i 总线接口系统，大大增强 了系统的通用性和灵活性，从而很快得到广泛应用，给自动测试系统注入了新的 活力1 2 j 。 自从自动测试系统问世以来，进入市场的产品越来越多，其性能日趋提高， 销售额逐年增长，丽价格却逐年下降。销售额的年增长率远远超过整个电子测量 工业的增长速度。这一发展趋势在今后若干年内将表现得更加明显。 国内自动测试系统起步较晚，但发展迅速。6 0 年代停留在多点巡回检测阶段， 7 0 年代开始研制以小型计算机为中心的数据采集、处理系统。1 9 7 8 年底，我国第 江苏大学硕士学位论文 一台计算机控制f f r ( 懒g 傅立叶变换1 实时信号分析系统诞生。8 0 、9 0 年代，由于 微型计算机在我国得到广泛应用，各类自动测试系统相继出现。 但是从总体水平来看，我国在生产设备，生产工艺、集成电路制造等方面与 国外有较大的差距。想要逐渐缩短与外国先进技术的距离，除了要主动加大这方 面的自身研究外，还应走出国门吸取人家的技术经验，加强交流与合作。 1 2 现代测试系统的特点 计算机技术日新月异的发展以及高速度、高精度a d 转换器的问世，将测试 技术推向一个新的发展阶段。利用计算机来辅助测试，使得数据采集、处理和控 制融为一体。就当代高性能的自动测试系统来看，大都具有通道多、精度高、速 度快、功能强、操作简单等特点【3 1 。 ( 1 ) 通道多 一般一台仪器只能测量一个参数，即使是数字万用表，具有测交直流电压、 电流、电阻值、电容值，甚至测频率、温度等多种功能，但也不具备同时测量这 些参数的能力。而自动测试系统配备多个信号通道。对于多路信号，通过计算机 软件控制进行高速扫描采样。由于多通道信号同时测量，大大提高了工作效率。 ( 2 ) 精度高 测试精度是测试仪器的基本要求。与单参数仪器相比，由于测试系统规模较 大，通道信号相互干扰以及屏蔽、接地等方面存在较多的技术难题，精度要低一 些。但是，目前高性能测试一同一般采用1 2 - 1 6 位a d 转换器，而且具有下述数 据处理能力： 自动核准消除零漂、温漂、增益等不稳定系统误差； 多次测鼍求平均值消除随机系统误差； 软件线性处理对传感器等硬件的非线性特性进行校正； 软件滤波消除系统外部和内部引入的干扰。 另外，采用自动显示或打印结果，可消除人为的判读误差。以上几点使测试 系统具有较商精度。整个系统的测试精度毛要取决于传感器。 ( 3 ) 速度快 高速测量与处理足测试系统追求的目标之一。这罩所说的速度，是指从测量 江苏大学硕士学位论文 开始，经过计算机对信号进行处理，直到输出结果整个过程所花的时间。影响测 试系统工作速度的主要因素是a ，d 转换时间、计算机处理数据的时间、数据传递 时间和终端运行时间。目前，采用1 5 位的d 转换器，其采样速度在1 0 0 k h z 以 上，采用8 位a d 转换器，采样速度可提高到2 0 0 m h z 。如果多个a d 转换器并 行工作，又可成倍提高数据采集速度。计算机的运行速度主要取决于时钟频率。 最近几年出现的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，是一种高速运算部件，如 a d s p z l 0 2 0 。 ( 4 ) 功能强 国内外先进的测试系统都具有很强的功能，以满足各类用户的需要。典型的 功能归结为以下一个方面： 选择功能量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择 等。 信号分析与处理矸t 、相关分析、统计分析、平滑滤波。 自校准高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，催标准信号 和被测信号分别进行测试，计算机对两个测试结果进行分析，消除系统误差。以 上过程完全是自动完成的。 绘图与打印多数测试系统都配有绘图仪和打印机，能将测试结果以图形 和表格形式输出，做到图文并茂，一目了然。 操作简便当代先进的测试系统都追求高度自动化，即在测试与处理过程 中无须人工参与，在测试前仅做简单的准备工作，例如面板按键选择或键盘操作。 一般，专用系统采用面板操作较多，而通用的系统则采用键盘操作，以人机对话 方式设定系统工作模式。从而省去了烦琐的人工调节和大量的数据处理工作。 1 3 开发液力变矩试验台的意义 液力变矩器( h y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r t e r 简称h t c ) 是一种以液体为介质 的叶片机械，能够非阶梯地连续改变速比的无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 。它能将汽车发动机机械平稳地传到车轮，使车辆实现 无级传动，起步平稳，加速柔和，变速和自适应性能良好，可简化操作，提高乘 坐舒适性，并延长传动系统使用寿命，故在汽车领域得到广泛应用。 江苏大学硕士学位论文 由于液力变矩器结构复杂，造价高，长期以来依靠进口，国内制造的厂商相 对较少。这其中山东推土机厂自主研发的重型机械专用液力变矩器在国内处于领 先地位，但是一段时间以来，该系列产品的质量及性能检测一直采用落后的人工 测试方式，费时费力，准确性差，可靠性不高，不能适应生产现代化的要求。如 今，上海新时达电器有限公司为山东推土机厂设计制造的液力变矩器试验台，实 现了该厂产品测试的自动化、标准化。 本人参与研究和开发了山东推土机厂液力变矩器试验台。在以前，液力变矩 器的性能质量测试采用人工抽样静态检测。通过本试验台，我们能对产品进行完 全的自动检测，能一次性动态地自动完成整个测试过程，大大提高了测试效率； 并利用计算机完成多通道，高速率的数据采集、分析处理、显示与保存。最后把 测量数据绘制成精确的曲线，直观地显示产品性能，便于分析研究。 1 4 本文开展的工作 依据上述的工业现状和发展需求，本文设计构造了一个以直流电机为动力源， 直流驱动器为调速装置，转速转矩传感器为测量工具，可编程逻辑控制器和工控 机为控制核心，v c + + 编程自主开发测控软件的液力变矩器性能测试系统，围绕其 开展的主要研究内容为： 液力变矩试验台的总体设计。 研究山东推土机总厂液力变矩器的产品特点，根据其产品特性，选择合适的 软、硬件搭建测试系统平台。设计试验方案，制定标准的试验流程。 试验台电气控制的研究和应用。 研究直流调速的原理，分析直流驱动器与可编程逻辑控制器的结构特点，掌 握其使用方法。重点研究了二者之日j 的相互通信以及与计算机的数据传递。 试验台传感器的研究应用和新型激光衍射扭矩传感器的开发。 分析了现有各类扭矩传感器的原理和使用特点，着重研究本系统采用的j c 型 传感器的工作原理和测量电路，并在测试前进行标定和调零，使测垦准度进一步 提高。 针对传统扭矩传感器不能测尾静态扭矩，精度低，接触式测量稳定性差等问 题，研制了新型的激光衍射扭矩传感器( 已申请国家专利) 。采用c c d 装置采集 江苏大学硕士学位论文 激光衍射光斑图像，并采取去噪、分割、软件自动测量等方法，得到精确的光斑 半径值，进一步推算出扭矩值。 基于v c + + 的液力变矩器试验平台软件设计。 以计算机为主体，利用面向对象技术，以v c + + 为软件开发平台，通过开发不 同的测试控制软件模块，实现多种功能，包括： 人机对话测试人员预设测试流程参数，系统自动完成测试过程。 数据通信计算机与可编程逻辑控制器以及数据采集卡之间的数据交换。 数据处理保存自动去处零点误差与标定误差，将数据保存为文本格式， 便于管理。 曲线拟合绘制提供两种曲线拟合方法，确保参数曲线的准确性和可靠性。 通过软硬件的相互配合，最终建立起一套完整的测试平台，实现液力变矩器 产品测试的自动化，准确化和标准化。 江苏大学硕士学位论文 第二章液力变矩试验台总体设计 2 1 液力变矩器结构与工作原理 液力变矩器的基本结构如图2 1 所示，是一个结构复杂的旋转体工件。主要由3 个具有弯曲( 空问曲面) 叶片的工作轮组成。即可旋转的泵轮b 和涡轮t ，以及固定 不动的导轮d 。各工作轮常用高强度的轻合金精密铸造而成。泵轮b 一般与变矩器 壳3 连成一体，用螺栓固定在发动机曲轴5 的连接盘上。涡轮t 经从动轴l 传出动力。 导轮d 固定在不动的套筒2 上。所有的工作轮在变矩器装配完成后，共同形成坏行 内腔。 2 图2 1 液力变矩器的基本结构 f i 醇1b a s i cs t r u c t u r eo f h y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r t e r 液力变矩器把发动机的机械能转变为液体的动能，再把这种动能转变为机械 能输送给变速器，它能传递发动机扭矩、变矩，在变速、怠速时切断发动机动力， 还能使传动系统免受冲击和超负载工作，使传动系齿轮不受破坏。 液力变矩器有多种形式，现就目前工程车辆中用得比较多的一种作一简单介 绍。 液力变矩器的泵轮、涡轮和导轮装在一个密封的壳体内，泵轮与壳体固定在 一起并与发动机的板式飞轮同步转动。涡轮与泵轮相对并不接触，涡轮可向变速 器输出扭矩，导轮通过单向离合器在单方向上固定在固定的导轮轴上。导轮、涡 江苏大学硕士学位论文 轮和泵轮上的叶片弯曲成一定的弧度并且相对于轮的直径成一定的角度，这个角 度与叶片的弯曲度对变矩器性能的影响是很大的【4 】。 变矩器工作时，密封的壳体内充满了一定压强的油液，发动机带动外壳旋转， 外壳带动泵轮旋转，泵轮叶片使液压油产生运动。由于离心力的作用，高速运动 的油液顺着泵轮叶片作用于涡轮叶片上，推动涡轮转动。流过涡轮叶片的油液又 作用于导轮上，高速旋转的泵轮由于离心力的作用，泵轮叶片内端的液体压强小 于导轮叶片的液体压强，于是油液经过导轮叶片后又进入泵轮叶片，这样油液在 泵轮叶片、涡轮叶片、导轮叶片日j 形成环流，环流通道的轴向截面称为循环圈。 油液从泵轮流向涡轮的时候，泵轮把力传递给了涡轮，由于导轮固定不动， 当油液从涡轮流向导轮的过程中，导轮给予液体一定的反作用力矩，这个反作用 力矩也作用在涡轮上，因此涡轮力矩大于泵轮力矩。 在发动机转速一定的情况下，涡轮力矩随涡轮的转速变化，涡轮转速越低， 涡轮能传递的扭矩越大，当涡轮转速与发动机转速相近时变矩器不起变矩作用， 涡轮所能传递的扭矩近似等于发动机扭矩。当发动机高速运转，并且涡轮转速近 似等于泵轮转速时，会出现液流撞击导轮弯曲叶片背面的现象，此时导轮对液体 的反作用力矩同泵轮对液体的作用力矩方向相反，涡轮力矩小于泵轮力矩，这个 差值越大，损失也越大，为了避免这个损失，在导轮与固定轴之阳j 装一单向离合 器，正常情况下导轮固定不动，当液流冲击导轮弯曲叶片背面时，导轮开始转动， 以防能量损失。 2 2 山推主要液力变矩器产品参数 为产品设计测试平台之前，首先必须详细了解产品的各项性能指标，从而选 择适当的硬件和软件构造测试系统。山推集团主要液力变矩器产品参数如表2 1 所 示。 由表2 1 得知，山推集团主要液力变矩器产品的额定转速在2 2 0 0 r p m 2 4 0 0 r p m 最大额定功率为1 5 4 k w ，最大额定扭矩为8 0 0 n m ，零速工况公称力矩在3 5 5 1 0 3 4 之问，零速工况变矩系数在3 1 0 4 2 5 之间。在此基础上，我们能够选择适当的电 机作为动力装置，同时选择合适的传感器测肇扭矩和转速。 8 江苏大学硕士学位论文 表2 1 液力变矩器产品参数 t a b l e 2 1p r o d u c t i o np a r a m e t e 伟o fh y d r o d y n a m i ct o r q u ee o n v e r t e r 曹 参数 极限输入额定额定零速工况 零速f ：况重鼍外形尺寸 力矩功率转速公称力矩 变矩系数 ( k g ) ( m m ) 磐乎 ( n m ) ( k w ) ( r p m ) ( n m ) y j 3 1 5 x6 7 78 52 4 0 05 7 53 2 31 7 9 4 7 0 x 5 3 0 x 5 3 0 y j 2 8 04 0 05 52 4 0 03 5 53 3 21 0 8 34 0 0 x 5 4 3 5 6 1 y j s w 3 1 65 4 07 3 52 2 0 09 0 54 2 51 7 76 9 8 x 4 9 8 x 6 2 0 y j s 3 1 56 7 71 5 42 2 0 01 0 3 44 1 31 5 6 7 1 0 6 2 5 x 3 4 3 y j 3 7 5 a8 0 01 5 42 2 0 01 6 53 1 02 2 04 6 l x 6 1 0 x 6 4 7 y j 3 1 5 d6 7 7 7 4 2 3 0 05 7 53 2 32 0 04 7 8 x 5 9 9 x 5 5 5 y j s 3 2 3 a5 l o9 2 52 2 0 05 4 53 2 51 4 45 3 8 x 3 9 8 5l o y j s 2 2 84 4 06 4 52 3 0 05 7 53 7 51 0 2 5 1 8 x 5 9 8 x 6 5 0 y j 4 3 1 b4 8 07 22 3 0 0l o o 53 7 01 5 0 55 7 0 x 4 9 8 x 3 6 0 y j 3 6 56 2 05 92 4 0 08 4 53 8 01 4 35 5 0 5 9 0 4 3 0 y j $ 2 7 5 b4 1 01 0 22 4 0 0 9 3 54 1 0i l l6 6 0 x 3 9 0 x 5 4 3 2 3 液力变矩试验台总体设计 2 3 1 试验台硬件框图 整个测试系统以研华p i l l 1 g 工控机为中心，以两台直流电动机为动力源，以 转速扭矩传感器和数据采集卡为测量工具，以可编程逻辑控制器( p l c ) 和电机 驱动器作为电气控制设备。在测试过程中，由工控机与p l c 进行通讯，通过p l c 控制直流电动机的启动和停止，并由控制程序分别给出泵轮端( 输入端) 和涡轮 端( 输出端) 的转速要求，p l c 将其化为数字量传递给电机驱动器m e n t o r i i ， 由m e n t o r i i 实现对直流电动机的无级调速。在不同的转速下，泵轮端和涡轮端 将产生不同的扭矩，由转速扭矩传感器将测得的扭矩和转速值通过数据采集卡返 回给工控机，由工控机完成数据的记录、分析、显示、绘制和保存。试验台总体 结构如图2 - 2 所示： 江苏大学硕士学位论文 崛n t 傀i i ( 输入端) 开 关 量 直流电机 ( 输入端) 数 字 量 华研 公控机 p l c 直流电机 ( 输出端) 数 字 量 ! n 1 蚀i i ( 输出端) 开 关 量 图2 , 2 试验台结构图 r i 9 2 , 2f r a m ed i a g r a mo f t r u i n gb e d 2 3 2 试验台主要硬件的选择 1 研华工控机：测试系统的核心，主频率为1 g h z ，内存为1 2 8 mp c i 3 3 s d r a m ，4 0 g 硬盘，8 个i s a 总线接口( 供数据采集卡使用) ，4 个p c i 总线接 口，2 串口( 与p l c 通信使用) ；2 u s b 口( 接打印机) 。主要用于实时控制测试过 程、数据处理、结果显示、绘制曲线和数据保存。 2 三菱p l c ：将计算机与m e n t o r i i 、直流电机联接起来的重要部件。选用 三菱的f x 2 n - 1 6 m - 1 2 8 m 型p l c ，输入输出1 6 2 5 6 点，应用指令1 2 8 种。主要用 于控制直流电机的启动关闭，并将速度要求传递给m e n t o r i i 。选用p l c 的另一 个重要原因足为系统加入手动控制操作台保留足够的资源，方便手动操作的扩展。 3 直流电机及其驱动器：由于实验当中对速度的稳定性要求非常高，因此采 用相对交流电机转速稳定，变速性能好的直流电机作为动力装置，具体型号为西 安电机总厂生产的z 4 2 5 0 2 2 型，该型号直流电机的具体参数为： 额定功率1 6 0 k w ，额定电压4 0 0 v ，额定电流4 2 5 a ，最高转速2 4 0 0 r m i n ，电 枢回路电阻0 0 1 8 1 q 。 选用英国c t 公司生产，具有当代先进水平的全微机化工业用直流电机调速驱 动器m e n t o r i i 对电动机实现无级调速，确保速度的稳定和精确。 蟑一卜匾引 鳖 ，1 一i一南 江苏大学硕士学位论文 4 传感器与数据采集卡：在测试系统中，传感器的精度决定了测试系统的测 量精度和这个系统的测试质量，若传感器有1 的误差，则会使被测液力变矩器的 效率值产生好几个百分点的偏差，所以传感器的精度是很重要的选择标准，同时 考虑到传感器的结构与价格，决定选用j c 型转矩转速传感器。该传感器采用磁电 差动原理，具有结构简单，灵敏度高，输出信号强，重复性好等优点。与之配套 的p c r r 2 0 0 数据采集卡，采用标准的p c i 总线，可直接插在计算机p c i 插槽上， 无须外接仪表，方便可靠，同时厂家提供函数库，以d l l 文件形式供开发人员调 用，可以方便地嵌入到自己的测试系统软件中。 2 3 3 测试流程的研究设计 根据国家对液力变矩产品测试方法的相关规定【5 】，结合山东推土机厂的产品特 性，设计标准化测试流程如下： 1 测试人员对试验台进行调零和标定，测得的调零误差和标定误差将在整个 测试结束后的数据分析中加以处理。 2 工作人员在操作软件中按照被测液力变矩器的具体型号要求，设置输入端 的额定转速( 恒定) 、输出端的最高转速、从初始到最高转速的变化速率、从最高 转速回到初始的变化速率、记录点之间的转速间隔幅度以及若干个必须要记录的 点。 3 启动输入端直流电动机，工控机将输入端电机的额定转速值经p l c 传递给 输入端m e n t o r i i ，由该m e n t o r i i 控制输入电机缓慢提速，达到额定转速值。 4 输入电机的转速和输入端扭矩由传感器1 测得，通过数据采集卡1 传递 给工控机。当工控机确认输入电机的转速达到预定值后，在保持输入电机转速的 情况下，启动输出端电机，开始提速。 5 输出电机的提速过程由输出端m e n t o r i i 控制，转速和输出端扭矩由传感 器2 测得。在m e n t o r i i 无级调速的控制下，输出电机按照工控机提供的转速变 化率进行提速，为了系统的稳定和安全，通常情况下转速变化率设置得比较低。 6 当输出电机的转速符合某一记录点的要求时，m e n t o r i i 将速度稳定下来， 便于传感器测量和系统记录，当系统确认速度在该点误差范围内时，自动记录此 刻的输入输出转速和输入输出扭矩。 江苏大学硕士学位论文 7 记录完成后，输出端继续提速，到下一个符合要求的点时再进行记录，直 到输出电机达到设定的最高转速，此时升速测试过程完成。 8 输入电机继续保持稳定，输出电机按照设定速率开始减速，原理和过程同 上，自动记录符合要求的点值，直到输出电机回到初始速度，整个测试过程结束。 9 计算机对实验数据进行整理分析和保存，去除零点误差和标定误差，将结 果显示在荧幕上，并可绘制成精确的效率率曲线，供测试人员研究。 1 0 更换被测产品，重复以上过程。 2 4 本章小结 液力变矩器作为在车辆上广泛采用的一种无级变速器，由于其结构复杂，造 价高，长期以来依靠进口，国内制造的厂商相对较少。而对液力变矩器产品的测 试，长久以来更是落后于国外先进水平。随着计算机技术的r 益发展成熟，微机 测试技术得到了世界各国科技人员的重视，并进行了深入的研究。基于此，针对 山东推土机厂液力变矩器的产品特点，本章设计了试验台的总体构造，选择适当 的软硬件组成了一套现代化的微机测试系统，整个系统以计算机为核心，配合可 编程逻辑控制器，直流驱动器，直流电机以及j c 型转速转矩传感器，可实现液力 变矩产品的自动测试、信号采样和数据处理；并根据国家相关规定制定了测试流 程，确保了测试过程的自动化和标准化。 江苏大学硕士学位论文 第三章液力变矩试验台的电气控制 液力变矩试验台的电气控制部分主要是由英国c t 公司生产的直流电机驱动 器m e n t o r i i 和三菱公司的可编程逻辑控制器p l c f x 2 n 来完成的。二者的组合 己成为现代工业电气控制的经典搭配。 3 1m e n t o r i i 的特点和工作原理 m e n t o r i i 是英国c t 公司生产的直流传动驱动装置，在工业中应用较为广 泛，可分为单向和四象限两种配置。单向驱动器仅能实现正向运行，四象限驱动 则是完全可逆的，可对正反向运行进行全面控制。用m e n t o r i i 可以实现速度控 制、转矩控制、随动控制和定位控制等。如果结合多功能卡m d 2 9 ，则用户可以自 行编程进行更深层次的功能开发，其中包括m e n t o r i i 与上位机的通信【6 】。 3 1 1m e n r 0 r 直流调速的控制量 直流电机在实际运用中必须控制的量是速度、输出转矩和转向。速度与电枢 反电势成正比，与磁通成反比；转矩与电枢电流和磁通成正比；转向则是由电枢 与励磁电压的相对极性决定的。以下为m e n t o r i i 在直流调速过程中需控制的量： 1 电枢电压：因为速度与反电势成正比，而反电势是电枢电压的一部分，因 此，若假定磁场不变，控制电枢电压能完全控制速度直到电枢的最大电压设计值。 电枢电流也是电枢电压的函数，在速度能达到的范围内，转矩也由电压控制。只 要磁场是完全激励的，从零速到最大电枢电压( 基速) 一般能保持最大转矩。 2 励磁电压：它决定励磁电流，从而决定磁通量。若励磁电压能独立于电枢 电压变化，在满功率( 满电枢电压) 下速度可以超过电枢电压提供的基速点并且 电流为最大值。因为转矩直接与磁通成正比，所以当速度由弱磁开始增大时最大 转矩减少。 总的来说，直流调速是通过控制电枢的端电压从而控制送入电机的电流。如 果要求速度超过基速，则驱动器必须有控制磁场的能力。工作在基速以下的系统， 采用独立励磁方式，可扩展速度和转矩的控制功能，以满足更复杂的电机应用场 厶【7 l 。 江苏失学硕士学位论丈 3 1 2m e n t o r 直流调速原理 i v m n t o r i 通过控制可控硅的触发角来控制电流的大小，从而完成对电机的 直流调速。交流电源给单个可控硅电路供电时，在电阻负载上所产生的电流是断 续的。当可控硅被触发时有电流，当电源电压在每半个周期过零时电流消失。当 触发角完全推前时整流桥得到最大电压输出，即图3 1 的f 变为0 ；触发角后移时 则电流输出减少。而把可控硅接成如图3 1 所示的全桥电路后，交流电压在负载上 就能够产生完整周期的直流电流，此时当触发角充分推前时电流变为连续。电流 基波滞后于电压，一部分原因是负载的电感特性，另一部分原因是触发角延迟嘲。 除 乡 、 图3 1 1 可控硅带电感负载的特性 n 9 3 1c h a r a c t e r i s t i co fs i l i c o n - c o n t r o l l e dw i t hi n d u c t i v el o a d 3 1 3 直流调速反向控制 有两种方法使电机反向，这依赖于驱动器整流桥的配置。最简单的三相全控 桥没有输出极性反向的能力。这种类型叫做单象限，单向驱动器要求制动时，必 须外加电路，如图3 2 。若要实现反向控制，必须按图3 3 所示在外部切换电机端 子。对某些应用来说，这种简单的方法是足够的。然而，对于某些系统所要求的 能在两个方向完全控制电机，能快速频繁改变转矩方向的应用来说，必须采用双 桥反并联系统，如图3 4 。此配置不需要倒向接触器，能完全控制电机的正反转以 及正反制动，称为四象限或可逆驱动器唧0 0 ，见图3 5 。 江苏大学硕士学位论文 烈奄 图3 2 单象限制动电路 n 9 3 2 鼬唧ep h a s et r i g g e dc i r c u i t 图3 3 反向控制电路 t 3 9 3 3c o u n t e rc o n t r o l l e dc i r c u i t 厂 、 f 羹一 7 i 竹椭、 【 曩一；s 的 n 懒j i ， l? j 图3 a 双桥反并联电路图3 5 四象限驱动 f 够4c o u n t e rp a r a 脑c i r c u i tw i t ht w i n b r i d g e sf i 9 3 sd r i v e rf o rf o u rp h 8 s e s 3 1 4m e n l d r i i 控制特点 不管驱动器是单象限还是四象限的，电机响应都基本上是输出电压的函数， 输出电压又由可控硅的触发角决定，而触发角可以精确控制。电机响应的质量依 赖于驱动逻辑接收、解释和处理与电机当i ；i 状态及其要求状态相关的全部数据的 能力。这些数据有些来自外部源，如速度给定、转矩给定、速度反馈等，有些来 自驱动逻辑本身，如输出电压和电流，以及不同阶段逻辑系统要求的条件。 逻辑系统需要一系列指令使得它能够完成访问、处理及触发控制信号产生的 全过程。指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各 个数值参数【1 1 1 1 1 2 1 。在给定的工业应用中，驱动器的特性由技术人员设定参数及内 部监视参数决定。 基于以上原因，m e n t o r i i 驱动器由微处理器和用户设定参数来配置的软件 组成。参数包含了所有与电机性能相关的重要因素，还可以进一步提供通讯、保 江苏大学硕士学位论文 密和其他功能。用户通过菜单按键修改运行参数来设置驱动器使直流电机的控制 变得非常方便、准确。如图3 6 为m e n t o i 的控制面板。 弧 图3 6m e n t o r h 控制面板 f i g 3 6c o n t r o lp a n e lo f m e n t o i u g 在m e n