（电力电子与电力传动专业论文）基于交流伺服系统的油压减振器试验平台的研究.pdf

缱s 墅i 丛3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h e i n c r e a s i n go p e r a t i n gs p e e do f t h er a i l w a yl o c o m o t i v ea n dv e h i c l ep u t ah i g h e rd e m a n do nt h ed y 越m i cp e r f o r m a n c eo f t h e 扛a i n a c c o r d i n g l y , t h ep e r f o r m a n c e i n d e x e so ft h eo i l - d a m p e rs h o u l db ei m p r o v e d , b e c a u s e , t h eo f f - d a m p e ri sak e y p a r tf o r a m e l i o r a t i n gt h ed y n a m i cp 娟r m a n c eo ft h et r a i na n di m p r o v i n gt h ec o m f o r t a b l e d e g r e eo ft h ep a s s e n g e r a tp r e s e n t , w eh a v ei m p o r t e d a n dp r o d d e dm u l t i f o l d o i l - d a m p e r sw h i c hc 越s a t i s f yt h ed e m a n do fh i g h - s p e dr a i l w a y , a n de s t a b l i s h e dan e w s t a n d a r do fr a i l w a yi n d u s t r yf o rt e s t i n gt h eo i l - d a m p e r a st h et e s t i n ge q u i p m e n to ft h e o h - d a m p e r , t h eo i l - d a m p e rt e s t - b e ds h o u l db ei n v e n t e du r g e n t l y i no r d e rt op r o v i d e c o n v e n i e n c ef o rt h ee n g i n e e r so rr e s e a r c h e r sw h e nt h e ys t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h e o i l - d a m p e r , t h ep a p e ra i m st oe n n s m m t i n gam e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp l a t f o r mf o r o i l d a m p e rt e s t i n g , w h i c hc a nb ee a s i l yu s e da n di ss u i t a b l ef o rt h eh i g h - s p e e dr a i l w a y a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s , t h ew h o l es c h e m eo ft h et e s t i n g p l a t f o r mf o r t h eo i l - d a m p e ri sr e s e a r c h e do n ，a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep l a t f o r m i ss p e c i f i e db a s e do nt h es c h e m e t h ep a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t ；w a r eo ft h e m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t - b e d h a r d w a r ep a r tb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no f t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es y s t e m t h e n , t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lu n i th a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n d e t a i l , w h i c hi st h eh a r d c o r eo ft h es y s t e ma n di n c l u d e st h ei n t e l8 0 c 1 9 6m c u - b a s e d d u a lc p u sm o d u l e , s w i t c h i n gs i g n a li n t e r f a c ec i r c u i t , l i m i t i n gg u a r d i n gc i r c u i ta n dc a n c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t m e a n w h i l e , t h ep a p e rf o c u s e so nt h ef u n c t i o na n dt h e h a r d w a r ei m p l e m e n to f t h es i g n a lm o d u l a t i o nu n i ta n dt h ep o s i t i o nr e g u l a t u r f i n a l y , t h e p a p e ri n t r o d u c e st h ea n t i i n t e r f e r e n c en l e a s u r 锄e n 忸w h i c ha r eu s e di nt h ep r o c e s so f h a r d w a r ed e s i g n i n g t h es o f t ：w a r eo ft h el o w e rc o m p u t e rf o rt h em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mi s c o m p o s e da n di t sd e t a i l e df l o w c h a r t sa r ei l l u s t r a t e d t h em a l h q e ro fs o f t w a r ep r o g r a mi s w r i t t e nb ya s s e m b l el a n g u a g e , w h i c hi n c l u d e st h em a i nc p up r o g r a ma n dt h es p w m s i g n a jg e n e r a t e dp r o g r a m t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp m s mv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y a n ds v p w ma l g o r i t h ma r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e s et h e o r i e s ，t h ep a p e rs i m u l a t e t h e a cs e l v os y s t e mo f t h et e s t - b e d , a n dt h e na n a l y s e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s a t e s t i n gs y s t e mi sc o n s t r u c t e d , i nw h i c ht h en o - l o a dt e s ta n ds i m u l a t i o nt e s ta r e c a r r i e do u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo i l - d a m p e rt e s t - b e dw h i c hi sd e s i g n e db y j e 基銮道鑫堂亟主堂位监塞 t h ep a p e rc 8 1 1m a t c ht h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o i l - d a m p e r ；, t e s t i n gp l a t f o r m ；m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m ；p m s m ； s g i v os y s t e m c l a s s n 0 ： 致谢 本论文是在我的导师张全柱副研究员的悉心指导下完成的。从论文的选题、 系统方案的设计、试验问题的解决等方面都凝聚着导师的大量心血。张全柱老师 渊博深厚的学识、严谨的治学态度和实事求是的工作作风给我留下了极其深刻的 印象，更让我受益匪浅。三年来，承蒙他热心的关怀和教诲，无论为人为学，都 使我收获良多。值此论文完成之际，向我的导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意l 本论文的研究过程中，要特别感谢合作企业的杨太石工程师对我的指导及帮 助。在课题进展的关键阶段里，我的每一份收获和成长与他耐心的指导和教诲是 分不开的，他丰富的调试经验和坚忍不拔的工作态度更是让我耳濡目染、敬佩不 已。另外，在硬件调试和系统仿真设计上还得到了郝瑞祥老师、郭文杰博士的悉 心指导及帮助。在实验室工作及论文撰写期间，郭文帅、黄小光、吴智强、于继 铭、李彩虹、鲍晓娟等同学以及实验室同研究组的同学们在学习上和生活上给予 了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 在读研究生期间，我得到了家人和朋友在生活上给我的关心和支持，在此对 他们的付出表示深深的谢意。 1 1 课题的研究背景 1 绪论 近年来，我国繁忙铁路干线相继多次提速，特别是在铁路跨越式发展政策的 指引下，我国铁路将进入一个全新的发展时期。今后一段时间内，高速铁路时速 将达到2 5 0 k m h 以上，客运专线时速达到2 0 0 k m h 以上。当时速达到2 0 0 k m h 以 上时，机车车辆运行的安全性、平稳性将成为客车面临的关键问题，这就需要机 车车辆的走行机构经受住更高的考验【l 】。减振器作为机车车辆走行机构的重要组成 部件之一，其性能优劣直接影响到机车车辆运行的安全性和可靠性。因此，在机 车车辆运行过程中，必须确保减振器能够保持可靠和稳定的性能。目前，国产减 振器各方面的性能与国外减振器相比都存在着一定的差距，为此，我国不得不大 量采用国外油压减振器，这样不仅造成机车车辆生产成本提高，而且受到国外技 术的制约。 为加快我国高速列车减振器国产化，就必须先从理论和实践上深入研究国外 先进的铁路油压减振器静、动态力学特性，消化吸收国外的先进技术，以达到推 动国内减振器质量全面提升的目的。研究国外减振器的先进技术，就必须具备先 进可靠的减振器性能测试设备。目前，国产的减振器性能测试设备已不能完全满 足铁路全面提速后对减振器静、动态力学特性测试与研究，而性能优越的国外减 振器性能测试设备较昂贵。在这种背景下，研制能够满足铁路提速需要的叛型铁 路机车车辆油压减振器试验台显得尤为重要。 1 1 1油压减振器的作用及性能简介【2 】 机车车辆的车轮与钢轨面之间是钢对钢的接触，车轮表面的不规贝 j 和轨道的 不平顺都将直接经车轮传到悬挂部件上去，从而引起机车车辆各部分的高频和低 频振动，此时，车体相对于转向架之间出现垂向运动( 即点头振动和浮沉振动) 和横向运动( 即横摆和摇头振动) ，如果此类振动不经过减振器来减弱，则会降低 机械部件的结构强度和使用寿命以及恶化运行品质，这对运输的安全性、舒适性 和经济性都是不利的。 为了保证机车车辆在线路上安全、平稳地运行，必须在其走行部件即转向架 中装用具有良好性能的弹簧悬挂减振装置。这种装置通常由两部分组成：一是弹 j e 塞銮逼厶堂亟：堂垃迨塞 性元件，它起缓冲来自轮轨的动力的作用，如采用各种类型的弹簧；二是减振器， 它起减小车辆悬挂系统振动的作用，如采用油压减振器或摩擦式减振器。由于货 车的运行速度和平稳性的要求远低于客车，至今仍几乎全部采用摩擦式减振器。 摩擦式减振器具有如下一系列固有的缺点：由于摩擦力与振动速度无关，以至于 来自弹簧下的冲击力较容易向弹簧上部传递，引起车体的高频振动，恶化旅客的 乘坐舒适度；摩擦减振力在运用中变化大，不能保持设计值；摩擦面易磨损，等 等。 油压减振器工作时，活塞在油缸中作直线往复运动( 简谐振动) ，将在系统中 吸收的振动能量转变为热能释放在大气中，起衰减振动能量的作用，表现为衰减 振动系统的振幅，抑制系统的振动，改善振动系统的动力学性能，从而提高车辆 在运行中的安全可靠性、平稳性和舒适性。油压减振器的这种减振方式与摩擦式 减振器相比克服了上述缺点，因此在现代机车和客车上，摩擦式减振器已全部被 油压减振器所取代。 1 一系弹簧；2 - - - 系弹簧；3 构架：4 - 一系垂向减振嚣； 5 - 二系垂向减振嚣；6 - - - 系横向减振器；7 - 抗蛇形减振器 图1 - 1 高速动车转向架上的油压减振器 f i g 1 - 1o i l - d a m p e r so nt h eb o g i eo f t h eh i g h - s p e e dt r a i n 高速动车转向架上的减振器如图1 1 所示，一系垂向减振器装用于一系悬挂。 以减小轴箱与转向架之间的垂向振动，特别是衰减构架相对轮对的点头振动，又 称轴箱减振器。二系垂向减振器用于控制车体与转向架之间的垂向运动，即点头 振动和浮沉振动。二系横向减振器用于控制车体相对转向架之间的横向运动，即 横摆和摇头振动，也装用于某些客车的相邻车端之间，以减小两者之间的相对运 动。抗蛇行减振器用来抑制转向架的蛇行运动。车体端部纵向和横向减振器装于 铰接式高速列车或转向架式高速动车组的两相邻车端之间，用于衰减车体的纵向、 垂向和横向振动。 减振器性能的主要指标由减振器的外特性来表征。减振器的外特性是指减振 器在工作时其活塞相对于缸体的位移和速度与相应产生的阻尼力之间的关系，这 2 两种关系称为减振器的阻尼力位移特性( f s 示功图) 和阻尼力，速度( f - v ) 特性。 评价减振器性能优劣主要着重于两方面。一是减振器要达到预期的设计目标，符 合检测规范要求；二是在耐久试验或实际使用中，减振器的外特性能较长期地保 持相对稳定性。减振器的外特性直接决定了减振器的使用性能因此，减振器出 厂煎均要用专门的试验设备减振器试验台对其进行外特性测试，减振器试验 台对研制性能优异的减振器具有重要意义。 1 1 2国内外油压减振器试验台发展现状【2 翔 自6 0 年代起，我国铁路机车车辆开始使用减振器，多种型式的油压减振器试 验台应运而生。在上世纪，k 十年代，我国铁路上普遍采用j 8 5 型油压减振器试验台。 它通过曲柄连杆机构驱动减振器做近似的简谐振动，通过弹性扭杆测力，依靠人 工处理数据由于它只能够得到减振器在一定振动速度下的示功图，工作效率较 低，数据的准确性较差，以及只能够完成垂向减振器试验等原因，现在基本上已 经淘汰不用。 继3 8 5 型油压减振器试验台以后，国内许多单位开始研究新型的试验台。目前 我国铁路机车车辆应用部门在减振器制造和检修上应用的是j 9 5 型试验台，同时也 有部分单位用国外进口减振器试验台。j 9 5 型油压减振器试验台是由青岛四方车辆 研究所研制的铁路减振器专用试验设备。与j 8 5 型试验台相比具有以下特点； 1 ) 设有两套曲柄连杆机构，减振器可以垂直安装也可以水平安装，以满足垂 向减振器和横向减振器的试验要求。 2 ) 采用双速电机，经蜗轮、蜗杆和偏心距可调的曲柄滑块机构，将旋转运动 变为直线往复运动。这种方式下的机械驱动系统可以进行多种频率工况的 减振器试验，通过调整曲柄的偏心距，即可得到不同的直线往复运动行程。 3 ) 采用传感器测定减振器阻尼力和活塞相对缸体的位移，并由计算机进行数 据处理，打印试验结果，提高了测试精度。 基于以上特点，j 9 5 型减振器试验台一经面市便被各机务、车辆段和减振器生 产厂家所采用，但仍在不断的改进和完善之中。j 9 9 型减振器试验台是j 9 5 型减振 器试验台的改进设备，其机械驱动系统仍与j 9 5 型减振器试验台相同，但测试系统 软件更新为j 9 9 型。另外，在试验台结构不变的情况下，双速电机改为能够变频调 速的交流电机也是一种改进。 国外铁路机车车辆减振器试验台的典型代表有荷兰柯尼( k o n i ) 公司制造的 机械式4 4 1 5 - 2 1 a 型试验台和液压驱动试验台，德国萨克斯( s a c h s ) 公司制造的 适用于减振器维修的机械式试验台和在开发和生产中使用的液压伺服试验台。液 j e 塞窑垣厶堂亟堂位逾塞 压伺服试验台与常用的电机驱动机械式传动机构试验台 相比有以下主要特点： 1 ) 速度范围广，可通过控制液压油流量来实现对速度的便捷控制。 2 ) 测试功能强，容易实现减振器阻尼性能的静态和动态测试。 3 ) 控制功能强，容易实现检测的自动控制和程序控制功能。 但这种液压伺服试验台需要专门的工作环境及严格的维护保养，故不适合在 一般基层单位使用 1 2 课题研究的必要性 油压减振器试验台是保障油压减振器出场试验及维护保养时获得合格产品的 检测设备，为确保产品检测性能的可靠性，试验台的检测条件及测试方式是极其 重要的。近年来，我国繁忙铁路干线相继多次提速，对减振器提出了更高的要求， 相应的对试验台的性能测试设备的要求也更加严格，主要体现在定位精度更高、 振动频率和振动幅值变化范围更宽。传统的试验台由于受机械式传动机构的限制， 加之其测试系统的控制精度和可靠性不高，导致对减振器试验所需的速度、频率、 振幅无法实现精确定位。同时，改变试验振幅需要通过手动调节曲柄的偏心距来 实现，操作不便。面性能较优越的液压伺服试验台价格昂贵，检测条件苛刻，维 护保养复杂且要求严格，另外，其电液伺服系统的设计和配备也是一个极为复杂 的工程。因此，研制开发满足定位精度、振动频率和振动幅值变化范围要求的新 型油压减振器试验台是十分必要的。 1 3 本论文的主要工作 本课题是校企联合开发的一个科研项目，旨在设计一种新型的符合铁路提速 要求的铁路机车车辆油压减振器试验平台( 以下简称试验台) 。本论文的主要工作 如下： 1 ) 提出新型试验台的总体设计方案，对驱动装置和测控系统进行设计。将现 代交流伺服运动控制技术( 详见第五章5 1 小节) 和滚动螺旋技术( 详见 第二章2 2 1 小节) 应用于试验台的驱动系统。 2 ) 重点对试验台测控系统的硬件进行设计，将集散型控制系统( 详见第二章 2 2 2 小节) 设计引入试验台测控系统，并给出集散型测控系统各个功能 模块的硬件电路设计。 3 ) 对试验台测控系统的软件进行设计和编程。程序设计模块化，整体上分为 4 上位机软件和下位机软件两个部分。 4 ) 用仿真软件对基于永磁同步电动机( p m s m ) 及其驱动技术为核心的伺服 运动控制系统进行建模仿真，实现交流伺服系统驱动油压减振器的位置闭 环控制。 5 ) 对所设计的油压减振器试验台按照减振器阻尼性能试验要求进行功能试 验，分析试验结果，得出结论 5 j e 立銮逼厶堂亟堂位j 金塞 2 试验台总体设计 针对铁路提速需要，设计满足铁道行业标准t b t 2 2 2 9 2 0 0 4 一机车车辆油 压减振器试验台技术条件【4 】要求的油压减振器性能测试设备，需采用合适的测试 方法和控制策略，为此需要对试验测控平台的总体方案进行设计。在本章中，首 先对试验台的技术要求进行简单介绍，接着重点对比分析了驱动系装置和测控系 统的设计方案，最后介绍了新方案下试验台的构成、各功能部件的选型及试验台 的工作原理。 2 1 试验台技术要求 目前国内普遍采用的油压减振器性能测试设备是以机械式传动系统( 曲柄滑 块机构或曲柄连杆机构) 与传感器组成的测量体系，并通过微机处理测试数据的 减振器试验台，此类试验台以双向式油压减振器试验台嘲为代表。双向式油压减振 器试验台结构框图如图2 - 1 所示，它由机械部分、电气部分、计算机测控测控系统 组成。 图2 - 1 双向式油压减振器试验台结构框图 f i g 2 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t w o - w a yo i l - l a m p e rt e s t - b e d 我国最新出台的铁道行业标准t b t 2 2 2 9 2 0 0 4 也是针对此类试验台制定的， 它对试验台的技术要求主要包括机械部分、试验台基本性能、测试系统等方面的 内容。这里我们只介绍对试验台基本性能和测试系统的技术要求。 2 1 1试验台基本性能 1 ) 试验台测试阻尼力范围宜为0 k n 3 0 k n 。 2 ) 试验速度及滑块位移应符合油压减振器的试验要求，调整范围宜为 0 o l m s o 5m s 。 6 试验台总体设计 3 ) 试验频率范围应满足活塞试验速度要求。 4 ) 试验台的系统精度宜为： 力的测试误差不大于名义值的l ； 位移的测试误差不大于- i - l m m ； 速度测试误差不大于名义值的5 2 1 2试验台测试系统 1 ) 微机及传感器组成的测试系统综合误差应小于传感器量程的1 。 2 ) 测试系统软件应能够监测减振器的下列特性参数； 最大拉伸与压缩阻尼力( 以下简称拉压力) ； 活塞的拉伸与压缩行程； 夺活塞拉压行程的运动速度； 活塞的运动频率； 不对称率。 3 ) 测试系统软件应满足以下使用要求： 保存测试数据； 显示并输出测试结果( 示功图、试验行程、阻尼力、试验速度、不对 称率) ； 用户界面良好。留有网络条件 4 ) 测试系统的示功图应能正确反映减振阻力和活塞位移问的关系。示功图的 显示与输出不应出现失真及零点漂移现象，测试数据的输出应准确。 本论文所设计的减振器试验测控平台须满足以上技术要求，并且试验振幅即 减振器活塞行程变化范围为i 2 5 m m ，试验频率变化范围为0 1 h z 7 5 h z ，试验过 程中被测减振器做正弦型简谐振动 2 2 试验台设计方案 减振器试验台由驱动装置和测控系统两部分组成，以下从这两个方面着手， 讨论制定试验台的设计方案。 2 2 1驱动装置方案分析 驱动装置用来对安装在其上面的油压减振器端部产生一定规律的周期性运 7 e 塞塞垣厶鲎亟堂焦迨塞 动，并在相关部位安装各种检测设备，如拉压力传感器、位移和速度传感器等。 按其动力源不同，传统的驱动装置分为机械式和液压式两种2 1 。 1 ) 机械式驱动装置 机械式驱动装置就其传动机构的不同又可分为曲柄连杆式和曲柄滑块式，多 以变速电动机驱动曲柄连杆机构或曲柄滑块机构的形式出现。 l 一测力传感器；2 - 减振器；3 - 滑块；1 - 测力传感器；2 - 减振器；3 - 滑块； 4 - 连杆；5 - 曲柄；d 位移传感器；7 - i g ) f 2 传感器4 滑槽；5 - 曲柄；6 导柱；7 - 基j , j t ( a ) 曲柄连杆式( b ) 曲柄滑快式 图2 - 2 机械式减振器驱动装置原理图 f i g 2 - 2m e c h a n i c a ld a m p e rd r i v e rd i a g r a m 曲柄连杆式驱动装置的原理如图2 - 2 ( a ) 所示，由变速电动机驱动曲柄连杆机 构，曲柄5 连同连杆4 的一端作圆周运动，连杆的滑块端连同减振器的一端在导 槽中作往复运动，当连杆的长度远远大于曲柄的长度r 时，滑块近于简谐运动： s 。( t ) * r s i n c o t 。曲柄偏心可以用丝杠滑块来调整，也可以偏心轮调整偏心距的结 构来实现。j 9 5 及国外许多机械式铁路减振器试验台多用此类结构，主要用于制造 和维修减振器。 曲柄滑块驱动装置的原理如图2 - 2 ( b ) 所示，由电动机驱动曲柄滑块机构，长 度为r 的曲柄5 端部的滑块3 在水平的滑槽4 中，而滑槽则沿两侧的导柱6 作精确 的上下简谐运动：s ，( t ) * r s i n a , t 。这两种型式试验台的运动振幅和频率都是可调 整的。但由于受运动机构的限制，机械式试验台只能作低频运动，适合于对减振 器作生产和检修用途的试验。不能满足高频振动条件下对减振器的试验需要。 2 ) 液压伺服式驱动装置 在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量变化的系统称为 随动系统，亦称伺服系统 s l 。伺服系统由伺服驱动装置和执行元件组成，高性能的 伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。采用液压缸作为执行元件的伺服 系统称为液压伺服系纠卅。 8 试验台总体设计 液压伺服式驱动装置就是依靠液压伺 服系统向液压缸提供动力源，如图2 - 3 所 示 液压伺服系统中的伺服控制单元控制 液压缸内油压，使液压缸的活塞驱动减振 器按照给定的频率和振幅作直线往复运 动该驱动装置可做高频运动，适合用于 研究性的实验。 3 ) 驱动装置新方案的提出 机械式驱动装置由于受运动机构的限 制，在高频工况下惯性较大，磨损加剧， 1 液压缸；2 - 减振器：3 - 测力传感器 扣位移传感器：5 速度传感器围 2 - 3 液压伺服式驱动装置原理图 f i g 2 - 3h y d r a u l i cs a v od r i v e rd i a g r a m 导致振动频率和幅值调节范围较小，无法满足试验需要，同时也影响了测量精度， 更加无法实现减振器活塞的精确定位液压伺服式驱动装置与之相比克服了以上 缺点，还具有惯性小、出力大、响应快、精度高等优点但是，采用液压伺服式 驱动装置需要设计和配备专门的液压伺服系统，开发费用较高、开发过程较为复 杂。另外，液压伺服系统也有其固有的缺点，例如体积大、功耗和噪声大、能源 利用率低、易漏油、维护修理不便、对油液的污染物比较敏感而经常发生故障等 等。 交流伺服运动控制系统是一门机械、电力电子、控制和信息技术相结合的交 叉学科，它结合生产实际，解决各种复杂定位控制问题，如机器人轨迹控制、数 控机床位置控制等，其构成及控制原理将在本文第五章中进行详细介绍。油压减 振器试验台旨在控制被测减振器活塞的运动轨迹能够精确复现输入信号的变化， 以达到减振器标准性能测试和研究的目的，此类控制亦属运动控制( 轨迹控制或 位置控制) 范畴因此，本文将交流伺服运动控制技术应用于试验台的驱动系统， 采用永磁同步电动机( p m s m ) 及其驱动器作为试验台驱动装置的动力源 电动机只能输出旋转力矩和角位移，用 它来驱动减振器作简谐振动，必须经过中间 传动机构将电机的旋转运动转换为直线往 复运动电动缸是一种新型的滚动摩擦传动 机构，采用滚动螺旋技术传递动力，可方便 地将电机的输出转矩转换为力、角位移转换 成线位移。滚动螺旋装型屹】如图2 4 所示， 它主要由螺母、滚珠、反相器、螺杆构成。 电动缸工作时，螺杆与伺服电动机的轴直接 9 3 i 螺母；2 滚珠；3 反向器；4 - 螺杆图 2 - 4 滚动螺旋装置 f i g 2 - 4b a l l s c r 目o vd e v i j e 塞銮垣厶堂亟堂位论塞 相连，随着电动机的正反转，螺杆顺着螺母作直线往复运动。丝杆与螺母之间放 置了滚珠，旨在滚动摩擦状态下实现省力、灵敏、精密的螺旋传动。曲柄连杆机 构依靠滑动摩擦实现动力传递，损耗较大，传动效率较低。电动缸与之相比提高 了传动效率，而且利用伺服电机的闭环控制特性，可方便地实现对推力、速度、 位置的控制，具有较高的重复定位精度，故采用电动缸作为驱动装置的传动机构 2 2 2测控系统方案分析 集散控制系鲥1 3 1 4 1 1 1 5 1 是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的以微处理器为基础的 分散型微机控制系统。它是测控技术、信号处理技术、计算机技术、通信技术相 结合的产物，实现对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的分布式多 微处理器综合过程控制系统。它具有以下特点； 1 ) 控制分散、信息集中 生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于 数据库，利用高速数据通信或通信网络输送到有关设备。这种结构使系统的危险 分散，提高了可靠性。 2 ) 系统模块化 在集散控制系统中，有许多不同功能的模块，如c p l i 模块、模拟输入和模拟 输出模块、数字输入和数字输出模块、通信模块、存储器模块等。选择不同数量 和不同功能的模块可以组成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用 软件也采用模块化结构，用户可方便地将所选硬件和软件模块连接起来组成控制 系统。若要增加某些功能或扩大规模，只要在原有系统上增加一些模块，再重新 组态即可。显然，这种软、硬件的模块化结构提高了系统的灵活性和扩展性。 3 ) 数据通信能力较强 利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经过通道接口与局域网络( u 澍) 连接，从而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。 4 ) 友好而丰富的人机接口 操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如流程画面、趋势显 示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还可以通过功能键直接改变操作量， 干预生产过程，改变运行状况或作事故处理。 5 ) 可靠性高 在集散控制系统中，采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断系 统、通信网络、电源以及输入输出接口等关键部分的双重化( 又称冗余) ，还有自 动后援和手动后援等。由于各个控制功能的分散，使得每个微处理器的任务相应 l o 试验台总体设计 减少。因此，集散型控制系统具有较高的可靠性。 综合以上特点，并按照对减振器试验台基本性能和测试系统的基本要求，本 论文将集散控制系统设计引入试验台测控系统，即采用集散型微机测控系统实现 对减振器拉压力量和位移量的采集、试验过程控制以及试验结果的显示、分析、 存储、打印等功能。整个控制系统由上位机和下位机组成：下位机完成数据采集 与处理、输出控制信号，故障保护等功能；上位机将下位机所有信息进行综合处 理，完成屏幕显示、参数设定与修改、数据存储、打印及报警等功能。 2 3 试验台总体结构 根据新的设计方案，本文所设计的试验平台由驱动装置、传感器和集散型微 机测控系统组成，减振器试验测控平台结构框图如图2 5 所示。 图2 - 5 战振器试验平台结构抠图 f i g 2 - 5s t r u c t u r a ld i a g r a mo f d a m p e rt e s t i n g ：p l a t f o r m 各组成部分功能及选型如下： 1 驱动装置 永磁同步电动机( p m s m ) 、伺服驱动器和电动缸构成试验台的驱动装置，用 来驱动被测油压减振器作正弦型简谐振动。伺服驱动器根据由位移给定信号和反 馈信号综合而成的速度给定信号来调节电机转速，实现对减振器试验振幅和频率 的连续调节。各组成部分选型如下： 1 ) 永磁同步电动机 国产的t y s z 系列稀土永磁交流伺服电动机专为伺服系统设计，它易于实现 精确定位、随动跟踪，能够完成各种复杂的伺服控制任务。另外，此类电机集成 了增量型编码器，省去了测速环节的设计，为伺服驱动器的选择带了方便。结合 些塞銮道叁堂亟堂位迨塞 试验台基本性能的技术要求以及试验频率和振幅变化范围的需要，经计算采用型 号为t y s z - 1 8 5 0 1 3 2 m 6 的稀土永磁交流伺服电动机，主要技术参数如下： 夺额定转矩：1 1 5 n m 额定电流：4 5 a 转动惯量：o 0 4 8 k g m 2 额定电压：3 8 0 v 额定转速：1 5 0 0 r p m 极对数：6 2 ) 伺服驱动器 伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元，功率驱动单元主要由整 流、滤波、逆变、开关电源和电流检测等部分组成。逆变部分采用智能功率模块 口m ，内部集成了i g b t 及其驱动电路、过电流保护、短路保护、欠电压保护、过 热保护等故障输出。 随着功率电子技术和变频调速技术的发展，国产的伺服驱动器技术也日趋成 熟，一些优秀产品的控制性能可与国外知名品牌相媲美，而且在价格上占有相当 的优势。考虑可靠性和经济性的前提下，为了缩短研发周期，本论文采用国产的 j a s 4 8 2 7 0 m 型交流伺服驱动器( 型号说明及外接线图祥见附录a 和附录b ) ，主 要技术参数如下： 夺动力电源电压：三相3 8 0 v a c 夺反馈方式：带u 、v 、w 光电编码器反馈 夺输出最大电流有效值：7 0 a 主要特点： 两个速度设定入口( 主设定口及辅助设定口) ，电压范围为1 0 v + 1 0 v 夺上下限位信号可限制电机正向、反向旋转 夺设有转速或力矩输出口( 可选) 夺各种运行状态及故障状态面板显示通报 通过简单的参数调节，速度调节范围可达1 ：1 0 0 0 0 3 ) 电动缸 采用w e c 系列电动缸，其主要特性如下： 夺最大推力：4 0 l 甜 运动行程：5 0 m m 2 4 0 0 m m 最大速度：1 5 0 0 m m s 重复定位精度：o 0 2 m m 可接步进电机、伺服电机 试验台总体设计 2 传感器f 1 6 j 传感器是一种能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置。图2 5 中的拉压力传感器和位移传感器分别对被测减振器的阻尼 力( 拉压力) 和活塞位移进行实时检测，具体选型如下： 1 ) 拉，压力传感器 采用b k - 2s 型测力称重传感器，承载方式为拉压式，具有精度高，拉，压输 出对称性好，性能稳定可靠，量程范围广，安装使用方便等特点。适用于各种6 2 压力测试、电子秤、工业自动化测量控制系统。主要技术参数如下： 量程：0 0 l t 1 0 t 灵敏度：1 0 2 5 m v 夺工作电源：+ 1 2 v 输出信号：- 5 v + 5 v 线性度：0 0 2 f s ，0 0 5 f s 工作温度：1 0 6 0 2 ) 位移传感器 采用d a - 1 0 0 型位移传感器，具有结构简单，工作可靠，线性度好，重复性 好，精度高，动态特性好等特点，可用于高速在线检测，进行自动测量和自动控 制主要技术参数如下： 量程：l ：1 0 0 m m 或0 2 0 0 m m 灵敏度：5 0 m v m m 工作电源：1 2 v 输出信号：5 v + 5 v 线性度：小于o 1 或小于0 2 频响：0 2 0 0 h z ( - 3 d b ) 工作温度：1 0 7 0 3 集散型微机测控系统 信号生成及数据采集与控制模块( 以下简称为数据采集与控制模块) 、c a n 通 信模块和上位机人机界面显示系统构成试验台集散型的微机测控系统。数据采集 与控制模块通过c a n 通信模块与上位机人机界面显示系统进行数据通信，完成试 验的起动停止、运行工况选择、速度给定信号生成、数据采集与处理、人机对话、 界面显示等功能，实现整个试验过程的监测与控制。微机测控系统的硬件和软件 设计将分别在第三章和第四章具体说明。 1 3 j e 塞交道态堂亟堂僮盈塞 2 4 试验台工作原理 试验开始之前，通过上位机人机界面设定好试验参数，并将被测减振器安装 在试验台上。通过人机界面上的起动按钮起动试验，数据采集与控制模块根据设 定的振动频率厂和振动幅值彳产生相应的正弦波位移给定信号s * q ) ，满足公式( 2 一1 ) ， $ + ( f ) = a s i n ( 2 # f 0 ( 2 1 ) 位移给定信号与位移反馈信号叠加后经过位置调节器进行调节，其输出作为 伺服驱动器的速度给定信号伺服驱动器驱动永磁同步电动机，使其转速按余弦 ( 正弦位移的微分) 规律变化。电动缸通过同步带与同步轮和电动机同轴并联， 其丝杠推动油压减振器的活塞按照设定的振动频率和振动幅值作正弦型简谐振 动。传感器将检测到的位移量和j 立，压力量送给数据采集与控制模块，经过数据采 集与处理后，通过c a n 通信模块送给上位机。人机界面实时显示减振器的动态参 数，记录出拉压力和位移对时间的历程，自动绘制力位移特性曲线( 示功图) 和 力- 速度特性曲线。通过与标准特性曲线比较，评判出被测减振器合格与否 1 4 试验台微机测控系统硬件设计 3 试验台微机测控系统硬件设计 微机测控系统的硬件设计必须以满足系统的技术要求为原则，实现试验测控 平台的基本功能并体现其优越性。根据第二章所介绍的试验台总体设计方案和试 验台的工作原理，本章着重对微机测控系统的硬件进行设计 3 1 微机测控系统硬件结构 集散型微机测控系统硬件结构如图3 1 所示，可分为上位机、c a n 总线通信 模块、下位机三部分。 图3 - 1 集散型微机测控系统硬件结构框图 f i g 3 - 1h a r d w a r e m c t 峨o f m i 口o m p l l 瞬m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m 上位机的功能在第二章2 2 2 小节中已经作了简单介绍，本系统中采用p c 机 作为上位机的硬件，在此基础上开发人机界面来完成屏幕显示、参数设定与修改、 数据存储、打印及报警等任务由于上位机界面设计不属于本论文的重点，所以 这里不作详细说明，仅在第四章的软件实现中作简单介绍 c a n 总线通信模块的硬件设计主要包括上位机和下位机的c a n 通信接口设 计，二者完全相同，因此只在下位机硬件设计中进行介绍。 下位机硬件采用模块化设计，主要包括数据采集与控制单元、信号调理单元、 位置调节器三部分，其详细内容将分别在后续小节中介绍。 3 2 数据采集与控制单元 数据采集与控制单元是下位机的重要组成部分，其硬件包括基于i n t e l 8 0 c 1 9 6 单片机的双c p u 模块、手动控制接口电路、c a n 通信接口电路，如图3 1 所示 1 5 e 塞銮适鑫里亟堂焦盈塞 其功能主要有： 一实现对整个试验过程的逻辑控制与管理 - 对拉，压力信号、位移信号、速度信号进行采样 - 输出频率可以自动调节的s p w m 信号 _ 实现试验台的手动控制功能 对系统故障情况采取相应的保护措施 _ 为下位机提供c a n 通信接口电路，实现与上位机可靠通信 3 2 1双c p u 模块 双c p u 模块作为数据采集与控制单元的核心组成部分，担负着整个试验过程 的管理与控制、数据采集以及s p w m 信号生成的重任。采用由单片机组成双c p u 结构，主要是基于以下几个方面的考虑： 1 ) 单c p u 结构不适用于多任务场合 由一个单片机( m c u ) 或数字信号处理器( d s p ) 加上外围电路构成的系统 称为单c p u 系统。在此类系统中，所有的控制、监测和运算等功能都由一个c p u 来完成，致使c p u 只能以串行方式完成各项任务，这将造成两方面的结果：一是 控制响应速度很大程度上取决于c p u 的速度，使c p u 成为系统性能提高的瓶颈， 对于要求高速采样、控制、输出的应用场合，系统显得力不从心；二是算法的选 择受到计算量的限制。 多c p u 结构可将复杂任务分解，由不同的c p u 分别承担电气量的采集与变换、 逻辑控制、与上位机通信等功能，减轻了每个c p u 的负担。这种结构的特点是模 块化，能够实现故障定位到板，而且开发新功能方便。但c p u 的数目越多，使c p u 之间联络线复杂，会影响系统的可靠性。双c p u 结构接线相对简单，能够避免多 c p u 结构的这些缺点。 2 ) 双m c u 结构在某些场合优于d s p d s p 因具有高速信号采集和处理能力而广泛应用于需要对大量数据实时处理 的场合，如高频功率变换器的控制等。但其价格昂贵，在一些数据处理量不大和 算法相对简单的场合，可以用双m c u 结构来代替d s p 。此外，m c u 产品较为丰 富，而且运用技术成熟，这使得c p u 的选择变得灵活且容易满足系统控制的要求。 本系统采用i n t e l 公司生产的8 0 c 1 9 6 k c 单片机和8 0 c 1 9 6 m c 单片机 t 7 1 组成双 c p u 结构，二者通过双口r a m 进行通信。双c p u 模块硬件电路设计原理如图3 2 所示。 1 6 试验台微机测控系统硬件殴计 数据采集与控制 信号生成 a o a 7 8 0 c 1 9 6 m c k 弭酿 专 筐 i d r 7 5 ! 一信号、 p 0 a l e 渲信号 p l l 位但户 e x t l n t 舯c 1 9 6 1 0 c 胁 i 力信号 o e l a c h 0 啡d 口 c e l i 馕信号、 l 懂7 巴p 。 a 8 一a 1 2 w o l a c h l 中断 a s - a 1 5 i l l s 0 w r r w t