（机械设计及理论专业论文）电封闭机械传动试验台模拟加载技术的研究.pdf

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试验表明，本文提出的技术方案切实可行，技术环节的处理合乎需要，可以准 确可靠地实现对被试件的模拟加载，并以模拟加载功能为核心实现试验过程中数据 的自动采集与处理。该技术的实现改进了以往试验台的不足之处，大大地提高了试 验台和试验过程的技术水平。 【关键词】：机械传动、模拟加载、试验台、计算机控制技术 些! ! 坠竖 a n a l o gl o a d i n gt e c h n o l o g yo ft h ee l e c t r i c a l p o w e rc l o s e dt e s t e ro fm e c h a n i c a ld r i v e s p e c i a l t y ：m 曼堡垒垫i 堡垒! 盘墅艇堑亟h 曼q 盟 a u h o r 迪囤塑业避 s i g n a t u r e 比玉k 幻 s u p e r v i s o r ：鱼i 鱼垃i 望鳇p q 鱼堡s i g n a t u r e ：鱼臣丝 d a t e ：m a r 2 0 0 3 a b s t r a c t t h et e s t e ro fm e c h a l l i c a l d r i v ei sa n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m u s e dt o c o m p r e h e n s i v e i yt e s tt h ec a p a b i i i t i e so f t r a n s m i s s i o n s i tc a np r o v i d et r u ea n dg e n e r a l d e s i g ng i s tf o rt h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n sa n dp a n sa n dv e r i f yt h e f u n c t i o na 1 1 dp e r f o r m a n c eo ft h ef i n a lp r o d u c t s ，j ti sam u i t i f u n c t i o n a ld e v i c e t h e r e f o r e ， t e s t e ri sw i d e l yu s e di nm e c h a n i c s ，m i n e ，a u t oa n do t h e ri n d u s t r j e s a i m e da tt h ed e f e c t se x i s t i n gi nt h ec u r r e n tt e s t e r ，t h er e c o n s t r u c t i v es c h e m eo f a n a l o g1 0 a d i n gi sp r o p o s e di nt h i sp a p e nc o m p u t e rc o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 yi su s e dt or e a l i z e t h er e q u i r e m e n to fa n a i o gi o a d i n gf u n c t i o n s f i r s t ly ，t h ep r i n c p l eo ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r i c a lp o w e rc l o s e d m e c h a n i c a ld r i v et e s t e ri sa n a l y s e s o nt h eb a s i so ft h e s ea n a l y s e s ，t h ef e a s i b i l i t yo f a n a l o gl o a d i n gs c h e m ei sd e m o n s t r a t e di nt h e o r ya n dt h et e c h n i c a lr o u t ei sg i v e n a c c o r d j n gt ot l l er e q u i r e m e n to fl o a d i n gf u n c t i o no ft h et e s tu n i t c o m b i n i n gt h es c h e m em e n t i o n e da b o v ea n dt h e3 0 k wm u l t i f u n c t i o n a l m e c h a n i c a ld r i v et e s t e ri no u r1 a b o r a t o r y ，m er e l a t e dc i r c u i t s ，s u c ha si n t e r f a c ec a r d ， f i l t e rc i r c u i ta n ds oo na r ed e s i g n e d af r i e n d l yi n t e r f a c ea n dm u l t i f u n c t j o n a l 印p l j c a t i o n p r o g r a mi sd e v e l o p e da l s ow i t hv i s u a lc + + 6 0u n d e rw i n d o w s 2 0 0 0 w i t ht h eh e l po ft h i ss y s t e m ，t h e1 0 a d i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta n dt h er e s u i t s a r ea n a i y z e df i n a l i y t h er e s u l t si n d i c a t em a tt h es c h e m ei sf e a s i b i ea n dt h et e c h n i c a lr o u t ei sa l s or e a s o n a b l e a n ds u i t a b l e t h ea 1 1 a l o gl o a d i n gt ot h et e s tu n i tc a l lb er e a l i z e de x a c t l ya n ds t a b ly ， a l s ot h ed a t aa c q u i r i n g p r o c e s s i n gc a nb ec o m p l e t e da u t o m a t i c a l i y t h er e a l i z a t i o no f a n a l o gl o a d i n g h a sa m e n d e dt h e s h o r t c o m i n g so ft h eo r 垮n a l t e 过e ra n dg r e a t l y i m p r o v e dt h et e c h n i c a ii e v e io f t h et e s t e r k e y w o r d s ： m e c h a n i c a l d r i v e a n a l o g1 0 a d i n gc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y t e s t e r 第一章绪论 1 绪论 本章介绍了传动试验台在国内外的发展状况，说明了各种传动试验 台的基本组成及工作原理，最后阐明本文研究的内容及意义。 1 1 机械传动试验台简介 机械传动试验台是对常见的传动部件和装置如：链传动、带传动、 减速器、变速箱等进行综合性能测试的试验设备。通过试验来检验传动 装置设计的合理性，加工、制造、装配和调试的工艺性。对试验结果的 深入分析将有助于了解和评定传动部件和装置的综合机械性能，同时也 为工程设计人员提供实践的参考资料和设计依据。随着机械工业向着高 速比、大功率、低噪声等方向飞速发展，人们对于机器传动系统的性能 提出了更高的要求，因此，本文对于传动试验台的深入研究将具有重要 的实际应用意义。 国外较早地开始了这方面的研究，如美国g 1 e a s o n 公司在五十年代 就设计出了用轮系作为加载系统的传动试验台的方案。比较著名的还有 美国国家航空航天局( n a s a ) 下属的l e w i s 研究中心、前苏联中央机械制 造与设计研究院、美国通用动力公司、德国r e n k 公司、日本明电舍动 力公司、日本丰田汽车公司、美国伊利诺斯大学机械工程系、法国s k o d a 公司等。从试验台方案的设计到最终的样品制造他们都进行了大量的研 究工作，形成了系列化的设计模式。 与国外相比，国内对于传动试验台的研究起步相对较晚。研究工作 始于八十年代初期1 1 【2 。国内较早从事这方面研究工作的主要单位有重庆 大学【3 】、郑州机械研究所扪、长春汽车研究所、西安重型机械研究所、西 安理工大掣3 】【4 】【2 0 1 、合肥工业大学【2 9 】、四川工业学院、西安减速机厂、 西安公路交通大学f 3 3 1 等单位。他们先后建立起了各种形式的传动试验台， 这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了丰富 西安理工大擘硕士学位论文 的经验，代表着我国机械传动试验设备的发展水平。 1 1 - 1 试验台基本类型 常见的机械传动试验台一般都由驱动装置、加载装置、测量装置、 被试装置等四部分组成，其基本组成见图1 一l 。 图1 1 试验台的基本组成 图l 一1 中，试验动力由驱动装置发出，经测量装置、被试装置传递 到加载装置。测量装置用来测量出动力传递过程中的一些基本机械参量， 主要有转速、扭矩、功率、效率等。通常用作驱动装置的有发动机、电 动机等；用作测量装置的为转速扭矩传感器：用作加载装置的有齿轮箱、 发电机、液压缸、磁粉制动器、电涡流测功机等。 机械传动试验台从工作原理上可以分为开放功率流式试验台和封闭 功率流式试验台。下面分别对它们的组成及特点作简要介绍。 a ) 开放功率流式 开放功率流式试验台组成原理如图1 2 所示。 图1 2 开放功率流式原理 试验台的输入功率由原动机提供，经过被试装置传递至负载装置。 负载装置采用纯粹的耗能部件，如磁粉制动器、电涡流测功机等，传递 到负载装置的功率被负载装置完全消耗掉，同时给被试装置施加了载荷。 由于整个试验台的功率流向未形成回路，故称其为开放功率流式。 开放式功率流式试验台的主要优点是：结构简单、制造安装方便、 加载稳定可靠、能够方便地进行不同功率和各种形式的被试装置的测试 试验，但是，由于功率流开放使得动力消耗大，造成能量的巨大浪费， 2 第一章绪论 试验费用较高，这类试验大多用于中小功率、非长期运转的试验。 b ) 封闭功率流式 封闭功率流式试验台的组成原理如图1 3 所示。 匏量回馈 图1 3 封闭功率流式原理 该种类型的试验台在结构上与开放功率流式相似，不同之处在于负 载装置具有功率回收功能。从原动机发出的功率可以部分地反馈回原动 机，既达到了加载的目的，又实现了节能。 封闭功率流式试验台除了具有开放功率流式的优点外，还具有节能 的优点，节能效果可达5 0 【1 2 1 左右，因而它适用于较大功率的被试装置 进行长期的运转试验。 1 1 2 加载方式及其发展 试验台的负载装置是用来对被试装置进行加载的，是试验台重要的 组成部分。加载方式的不同对于试验台的性能有着重要的影响。常见的 机械传动试验台的加载方式主要有机械加载、液压加载、电力加载。 在传动试验台发展的初期阶段，大多采用机械加载方式。常见的机 械式加载装置主要有摇摆齿轮箱、轮系、弹性扭力杆等。机械式加载具 有较大的力矩放大能力，适用于大功率和大扭矩的场合。其缺点是结构 复杂，加载装置中的受力零件易被磨损而引起功率的损失，易产生振动 和噪声，且在加载器的设计与制造时对于零件的材料和热处理有较高的 要求，制造成本高。随着生产的不断发展，机械加载方式已逐渐被其它 的加载方式所取代。 液压加载方式是指采用液压泵、旋转液压伺服器等作为负载装置。 3 西安理工大学硕士学位论文 液压加载可以实现较大的加载功率，利用液压加载控制系统可以在加载 过程中改变载荷。液压加载的缺点就是加载过程中载荷是脉动性的，液 压缸油路系统的泄漏也易造成加载不平稳，而且由于液体会被压缩，因 而在小功率条件下的试验结果不准确。目前，试验台采用液压加载方式 的单位有：西安重型机械研究所、广西汽车拖拉机研究所。”、山东科技 大学o m 等单位。 电力加载的方式是指利用电涡流测功机、磁粉制动器、发电机等作 为负载装置。电力加载具有运行平稳、易于控制、加载精度高等优点， 特别是利用发电机作为加载装置，可以将机械能转化为电能并回馈给原 动机，实现了能量的回收。目前电力加载的方式得到了广泛采用，国内 采用电力加载方式的单位有：重庆大学。1 、郑州机械研究所“3 、吉林工 业大学“1 m “、合肥工业大学1 、西安理工大学1 等单位。 1 1 3 试验台功能 利用机械传动试验台可以对常规的机械传动装置进行多方面的试验 测试。这些测试既可以是开发性产品测试，又可以是系列产品性能的测 试，通常进行的试验项目主要有以下几个方面： a 空运转试验 通过空运转试验来验证某些参数及功能是否符合设计指标，检 查加工、装配的质量，从而找出设计、加工、安装中存在的问题， 以便采取相应措施加以改进。 b 负载试验 通过承载性能试验，可以检验其在承载时的工作性能，这样可 以对被试传动装置的真实工作性能加以检验。 c 疲劳寿命试验 用来考核被试传动装置各传动元件的疲劳强度以及整机的使 用寿命。 d 噪声、温升和振动试验 第一章绪论 通过试验来判定被试装置的安装调试精度及其内部各零件之 间的摩擦、磨损情况，检验其结构设计、加工安装等环节的合理与 否。 e 超负荷试验 用来确定被试装置在过载情况下是否能正常工作以及过载解 除后的性能是否仍符合技术要求。 在生产实际中，还有许多其它的试验项目须根据需要进行，限于篇 幅本文不再介绍。 1 2 机械传动试验台现状和发展趋势 1 2 1 机械传动试验台发展现状 现代的机械传动试验台正朝着电封闭功率流式的方向深入发展。采 用电封闭功率流的试验台易于控制，易于设计制造，各组成部分之间逐 渐模块化、单元化，以便于使用和维护。在其组成上，原动机采用电动 机，负载装置采用发电机。由于直流电动机具有易于控制、运行平稳和 机械特性硬等优点，因此在电封闭试验台中处于主导地位，作为负载的 发电机也多采用直流发电机，直流发电机发出的电能可以直接回馈给电 动机，不需要逆变环节。这样就可以大大地简化试验台的组成，降低系 统的复杂程度。 在控制系统上，早期建立的试验台没有专门的控制系统，仅靠机构 组合及传动零件间的啮合作用来实现特定的加载功能。随着加载技术的 不断发展，逐渐开始采用继电器控制来完成简单的控制操作。现代传动 试验台已经广泛地应用电子技术和现代控制理论来实现试验过程的自动 控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的自动监测、 保护等功能。 在数据测量系统上，大多采用计算机自动测量技术来实现数据的自 西安理工大学硕士学位论文 动采集，如湘仪动力测试仪器厂生产的以z 8 0 计算机为核心的j x w 1 型 机械效率仪【4 3 1 ，其它还有用a p p l e 计算机、单板机、单片机为核心的数 据采集系统。 1 2 2 模拟加载技术提出与研究现状 计算机辅助测试技术的引入为现代传动试验台的发展带来了新的活 力和革命，正是在此基础上人们又提出了模拟加载技术。模拟加载技术 是在前文所述的加载方式的基础上提出的一个新概念，它是指控制加载 装置使其按照给定运行方式和预定的载荷谱运转，这样就可以在试验台 上模拟出各种传动装置的实际或者近似的工作环境，从而能够对传动装 置的真实机械性能给出准确的评估和判定。比如：我们可以采集出汽车 行驶时其传动装置的实际受力参数，然后在试验台上用这些数据对新开 发出来的产品进行试验检测，以提高产品的质量、提高生产效率。模拟 加载功能的实现可以极大地提高传动试验台的试验水平，以模拟加载功 能为核心，将数据采集与处理、运行状况监测等原本分散的一系列操作 整合在一起，形成一个集成的试验平台，使传统试验台的不足之处得到 改进，功能得到了完善。 目前，国内有许多高等院校纷纷进行了这方面的研究，如重庆大学【l l 】、 四川大学1 2 2 1 、江苏理工大学 2 3 l 、合肥工业大学 2 9 1 、陕西工学院等，有关 企业的报道尚未见诸于报道。这些研究从很大程度上推动了国内试验台 技术的发展，但各有其不足之处。唐卓尧1 1 1 】在其研制的试验台中采用了 p c 计算机对试验系统进行监测和控制，计算机主要用来进行数据采集、 油温的测量等功能。邵军【2 2 1 、李伯全 2 3 1 也提出了模拟加载的实现方案。 但其所采用的是液压加载方式，液压加载的封闭功率流的试验台下，模 拟加载的效果并不理想。相比之下，陶维青【2 9 1 、宋舒【3 3 1 研制的试验台具 有一定的代表性，他们在设计原理上是相同的。陶维青实现的模拟加载 方案中多数采用的是d o s 计算机操作系统。 d o s 系统是命令方式、单 6 第一章绪论 任务。一方面操作界面不友好，另一方面，d o s 系统不能同时执行多个 任务，试验中若要同时实现多个参数的控制和数据采集，控制程序的结 构将变得非常复杂，易于产生错误。宋舒设计的模拟加载方案在硬件上 使用了工控机及专用的控制器，价格昂贵且不通用，不利于该技术的推 广使用。本文在对上述方案设计原理分析的基础上，结合我校3 0 k w 传 动试验台的实际情况，提出了全新的切合实际需要的设计方案，在 w i n d o w s 操作系统下实现了传动试验台的模拟加载功能，并进行了试验 验证。 1 3 本课题意义及主要工作 1 3 1 本课题的研究意义 利用微型计算机控制技术实现机械传动试验台模拟加载的功能是对 传统试验技术和方法的进一步改进和完善。由计算机控制试验的全部过 程并实现数据的采集、处理和分析，可以大大地提高试验的效率和试验 结果的准确性和可靠性，减轻试验人员的劳动强度。该技术的研究开发 将进一步促进了机械传动试验理论和功率分汇流理论的发展，同时对于 改善我国现有齿轮产品试验的技术水平，提高产品质量，缩短产品的开 发周期，增强企业的竞争力都具有重要的理论和现实意义。 1 3 2 本课题主要进行工作 1 本文分析了直流电封闭机械传动试验台的组成及其工作原理， 对传动试验台的电气控制部分进行了较为详细的分析a 2 根据模拟载荷试验的要求，对模拟加载功能的实现从原理上进 行了可行性论证，并在此基础上提出了模拟加载技术的实现方 案； 3 基于上述方案制作了相关的硬件电路，包括接口电路、滤波电 1 西安理工大学硕士学位论文 路、抗干扰电路等，并开发了w i n d o w s 系统下具有友好界面的 应用程序； 4 最后，针对典型的载荷谱进行了试验验证，并对结果进行了分 析。 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 2 直流电封闭机械传动试验台工作原理 本章详细介绍直流电封闭机械传动试验台各组成部分的功能，并分 析传动试验台的电气控制原理及加载原理。 2 1 传动试验台的组成 图2 1 直流电封闭机械传动试验台 图2 一l 为直流电封闭机械传动试验台的实物照片。从左至右各部 分依次为直流电动机、输入传感器、被试减速器、输出传感器、陪试装 置和直流发电机。直流电动机提供试验所需的动力，直流发电机作为被 试减速器的负载。输入传感器安装在电动机和被试减速器之间用来测量 输入减速器的扭矩和转速，输出传感器安装在被试减速器和发电机之间 用来测量减速器输出的扭矩和转速。转速和力矩的转换和显示由机械效 率仪完成。有关转速和扭矩的测量原理可以参阅文献“。试验台的原理 如图2 2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 a b c 图2 2 直流电封闭机械传动试验台原理简图 图2 2 中的陪试装置通常采用升速装置。在试验转速过低的情况 下，采用升速装置可以使发电机产生足够大的感应电动势，实现能量的 回馈。陪试装置的设计方案可参阅参考文献“”。 除此之外，试验台的电气系统中还包括各种保护装置、报警装置 等，它们用来_ | 螽控和维护试验台的正常运行。限于篇幅本文不再逐一讲 述。 2 2 传动试验台电气部件的原理 2 2 1 直流电动机和直流发电机机械特性 直流电机具有机械特性硬、运行平稳等特点，因而通常电封闭试验 台首选直流电动机作为驱动装置，选用直流发电机作为负载装置。在试 验过程中，直流发电机产生的直流电能可以直接回馈给直流电动机。选 用直流电动机和发电机的励磁方式均为他励型，其电路图如图2 3 所示。 渤臣一 十c p 一卜 r ( = 卜啼+ k t 图2 3 直流电动机电路原理 图2 - 3 中r 。为电机电枢线圈的等效电阻，r 。为励磁线圈的等效电 阻，。为电枢线圈的等效电感。对于直流电动机来说有如下基本方程 电磁转矩方程 r = c ，毋l 1 0 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 式中，c ，为电机的力矩常数，为励磁磁通，f 。为电枢电流。式 ( 2 1 ) 表明，当西为常数时，力矩与电枢电流成正比。 感应电动势方程e = e n( 2 2 ) 式中，c 。为电机常数，为工作磁通，n 为转子转速。 式( 2 2 ) 表明，当为常数时，感应电动势与转子转速成正比。 在稳态运行时，可以忽略电动机电枢电感对电机的影响，由图2 3 可得到电动机电枢回路的电压平衡方程 u = e + ，。尺。 ( 2 3 ) 式中，。为电枢电流。将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 中，可得 整理可得 u = c 。妒门+ ，。r 。 ( 2 4 ) 。：竺二生堡( 2 5 ) c 。 可见当( c 。) 为定值时，电动机的转速与电枢端电压u 和电枢中的 电流，。有关。 联立( 2 1 ) 式和( 2 5 ) 式可以得到电动机的机械特性方程 n ：旦一土r ( 2 6 ) c 。c 。c r 庐2 图2 4 电动机机械特性曲线 西安理工大学硕士学位论文 由式( 2 6 ) 可得出一条向下倾斜的直线如图2 4 所示，该直线即为 直流电动机的机械特性曲线，它表明随着扭矩的增大转速会随之下降。 图2 4 中我们把称为理想空载转速，它是力矩为零时机械特性曲线与 月坐标轴的交点。在式( 2 6 ) 中，令丁；o 可得到理想空载转速为 ；兰 ( 2 7 ) 。可 2 7 ) 实际情况中的空载转速月j 要小于，这是因为电动机本身具有转 动惯量，且轴承的摩擦力矩使得电动机在空载时的输出力矩不可能为 零，由图2 4 可知n j 略小于。 对于式( 2 - 6 ) ，我们令= 虿冬矿则式( 2 - 6 ) 又可表达为 n = 一芦丁( 2 8 ) 式中的第二项表示电动机带负载后的转速降，用力表示。 即n = 胛。 其中表示机械特性的斜率。卢越大机械特性向下倾斜越严重， 相同负载下的转速降就越大。习惯上称值小的机械特性为硬特性，口 值大的机械特性为软特性。对于一般的直流电动机，在考察其机械特性 时均用额定转速变化率来表示，即 吃：笠兰1 0 0 ( 2 9 ) 以 式中为电动机的额定转速，为电动机的理想空载转速。一般 的他励型直流电动机，在电枢回路没有串接电阻时其机械特性都比较 硬，国产的z ：系列电动机按规定衄为1 0 1 8 ，大容量的电动机为 3 8 。 实际上，电动机的机械特性反映出了电机内的能量分配关系。力矩 增大，电机的电枢电流也必然要增大，这就导致电动机电枢的铜损耗增 加，由式( 2 5 ) 可知在电枢端电压不变的情况下，电枢内部压降的增大 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 使得二者的差值减小，最终导致电机的转速下降。 从电动机的机械特性上我们也可以得出实现稳速的方法，即把增大 到电枢上的电压从外电路补偿回来，就可以实现电机的速度稳定。 对于直流发电机而言，其工作原理恰为与电动机的逆过程，因而上 述诸公式也适用于直流发电机。 2 2 2 整流装置工作原理 整流装置的主要功能是将电网上的工频交流电压转变为适合系统 需要的电压，包括：电动机和发电机的励磁电压、电动机的电枢电压以 及其他电气装置需要的基准电压。考虑到本传动试验台的容量较大，整 流装置在原理上采用的是晶闸管整流技术，以充分利用电网提供的电 能。下面以电动机电枢电压的整流电路为例说明其工作原理。 k 11 i o 。k 5 1 一 _ s c m z 、s c r 5 z1 l l k 2 1 。嚣 一k b 、 王 s c r 2 z 、s c r 6 z 上 图2 5 三相全控整流电路原理图 由图2 5 可见，电动机电枢回路的整流电路为三相全控桥式整流。 a 、b 、c 为三相电压的输入端。电路中采用六个晶闸管s c r l s c r 6 。它 们的导通顺序为s c r 4 一s c r l ，s c r 卜s c r 6 ，s c r 6 一s c r 3 ，s c r 3 一s c r 2 ， s c r 2 一s c r 5 ，s c r 5 一s c r 4 。按此顺序在每个晶闸管的触发端，旌加触发脉 冲，当完成一个工作周期后，又重复上述导通过程。整流装置输入输出 的电压波形如下图2 6 所示： 西安理工大学硕士学位论文 u u bu c 暇珊一 篱猁繁x i 日日e c b ! ! ； ，n v 蛳： 图2 6 整流电压波形 经过整流电路以后得到电动机电枢端电压平均值为： 乩= 删，c o s 口 ( 2 一1 0 ) 其中的世为常数，当u ，为相电压时，k 取2 。3 4 ， 当u ，为线电压时，世取1 3 5 ，口为触发角。 由上式可知， a 整流装置输出电压的平均值u 。与触发角a 有关， 因此，可以改变晶闸管的触发角口来实现电动机的调速。为了保证电枢 回路中电流的连续性，还要在系统中加入平波电抗器，当某相晶闸管截 止时，平波电抗器可以起到续流的作用。 2 2 3 电动机调速 由式( 2 5 ) 可知，要改变电动机的转速，可以通过改变电枢电压 或者改变励磁磁通来实现。前者称为调压调速方式，而后者则称为弱磁 调速方式。由于电动机电枢端电压受到电枢绝缘电压的限制，端电压提 高的范围不大，所以调压调速的方法常用来由额定转速向下调速。而由 式( 2 5 ) 可见，增大磁通，转速降低，减小磁通，转速升高。通常电机 在额定条件下工作时，已设计得使铁心内的磁通接近饱和，因而调磁调 速的方法一般用在由额定转速向上的调速中。 在本传动试验台中，使用的直流电动机额定转速为1 5 0 0 转分，功 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 率3 0 k w 。根据试验的需要，采用调压调速的方法。转速调节由额定转速 向下调节。 前文已给出了电动机电压方程和力矩方程均为稳态下的方程，调速 时，仅考虑稳态下的电压方程是不够的，还必须考虑动态情况下电枢电 感对电动机的影响。 由图2 2 及2 3 所示，电动机与发电机的电气回路之间用单向导通 的二极管隔开，使电动机不对发电机产生影响，此时电动机电枢回路中 的电压方程为 u 吐也+ e 扎等 ( 2 - 1 1 ) 式中，。为电动机电枢电感，其余符号意义同前。 电动机的机械过渡方程为： 丁一= 罢鲁 埘 2 3 7 5 出 r 为稳态时的负载转矩，g d 2 为电枢的转动惯量，对于特定的电动 机来说它是一个常量。 将瞬态条件下的力矩方程r = c ，弘。和稳态条件下的力矩方程 t = c r 。代入( 2 1 2 ) 中可得 驴。罴害 ( 2 _ 1 3 ) 将上式两边对时间r 求导数有 盟：塑：堡( 2 1 4 ) 出3 7 5 c ，西防。 考虑到电动机的稳态转瓠= 警，及肚c 。加 西安理工大学硕士学位论文 联立( 2 一1 3 ) ，( 2 一1 4 ) 及式( 2 1 1 ) 可得 窘+ 丢鲁+ 壶忙意 出2 乙破乙乇乙瓦 式中， 2 j 专为电机的电磁时间常数； 乙= 了丢芑苫为电力拖动系统的机电时间常数- 由此可得该方程的解为 行= c 1 8 8 “+ c 2 e 。一+ 聆： ( 2 一1 6 ) 式中，c 1 及c ：为由初始条件所决定的积分常数。在通常的电力拖 动系统中，式( 2 1 6 ) 中的两根均为复数，因此，在调速的过程中，转速 的过渡过程具有衰减振荡的性质，振荡的周期r 与及咒的关系如式 ( 2 1 7 ) 所示。 丁= 4 疵b ( 2 1 7 ) 由此可见，电枢电感的存在使得调速过程产生振荡。 基于对调速过程的上述分析，可以采用双闭环调速系统来实现电动 机的自动稳速及电机启动过程中的自动控制功能，调速系统的框图如图 2 7 所示。 1 6 图2 7 调速系统的框图 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 在双闭环反馈控制系统中，外环为电压环，内环为电流环。给定的 转速信号n 。经过速度调节环节放大后产生电流信号，。，由于速度调节 的放大倍数很大，其输出的，。达到最大饱和值，在电流环的作用下产生 较大的电枢电压，使电动机迅速启动。由于电动机的机械惯性，其转速 不可能立即达到给定的值，速度反馈电压较小，在速度调节环节的输入 端的偏差( 斤，一胛，) 就直很大，这样就会使p i 积分器输出较大的移相 电压，脉冲调制电路发出的触发脉冲控制整流装置输出整流电压，电压 的大小随给定转速信号的值变化。 稳速环为电流环。图2 7 中，电动机电枢电流的反馈信号，加到 p i 积分器的输入端，从而对，与速度调节信号电流，。的差值进行积分 运算。只要，与，。不相等，p i 积分器就有输出，直到两者相等时，p i 积分器输出为零；电流反馈不但实现稳速的功能，反馈电流信号对电机 的电枢电流起约束作用，避免电枢电流过大造成对电机的伤害。 2 2 4 发电机力矩调节 由( 2 一1 ) 式可知，电动机输出的力矩r 与其工作磁通庐成正比，也与 电枢的电流，。成正比。对于发电机而言这一关系也同样成立，因此，改 变发电机电枢回路的电流。或者改变发电机的工作磁通矿，就可以改变 发电机的电磁阻力矩。图2 8 给出了力矩调节时的等效电路，下面将分 别分析这两种情况下的发电机的电磁阻转矩特性。 西安理工大学硕士学位论文 图2 8 加载等效电路 稳态下，对于发电机来说有 厂u 2 = c 。2 疵月2 i 否鼍，电动机理想空载转速大于发电机的步 合理想空载转速。双电机组的稳态转速介于电动机理想空载转速 和发电机的理想空载转速之间， = 矗硼c 咖r 去“2 砑l ( 。) 1 丽刮州：。 此时，电动机处于电动状态，其输出功率就是被试件的试验功率， 发电机处于发电状态，发电机发出的电能回馈给电动机。此种情况符合 试验台的要求。 2 4 3 扭矩加载方式选择 由2 4 2 节的分析可知，只要z 1 就可以使被试装置进入扭矩加载 状态。可以选择两种方式进行加载，方式一：发电机增磁；同时电动机 减磁；方式二，发电机增磁，而电动机恒磁。若采用方式，加载时电 动机要减磁，工作磁通减小就不能充分发挥电动机的容量，降低试验台 的试验功率和负载能力；其次，电动机减磁，会导致电动机的磁通不足， 电动机不能正常安全运行；再者，方式一采用的双方面调磁使得控制电 路分析、设计更加困难。综合考虑这些因素，本试验台采用方式二的加 载方式。 第二章直流电封闭机械传动试验台的工作原理 2 4 4 试验台电气控制系统 直流电封闭机械传动试验台电气控制系统的框图如图2 一1 3 所示。 图中可以看出，试验台的转速给定和力矩给定信号分别由两个电位器来 给出。控制信号的输入方式有本控和外控两种。本控就是由操作者手动 调节转速给定电位器和力矩给定电位器来实现试验过程中的调速和加 载。外控则可以利用继电器将上述的给定信号由外部引入。图中的转速 调节控制环节，在本文2 2 3 节中已作详细介绍，在此不再重复。图中 下半部分为扭矩调节控制环节，其中的模拟开关是由窗口比较器和晶体 管模拟开关构成的，其作用是当试验台转速急剧变化时，取消外加的力 矩给定而代之以一个固定的较小力矩给定，以保护输出端的扭矩传感器 不被损坏，该环节常称为启动扭矩限制器。 西安理工大学硕士学位论文 圈 靶 螺 坠 雌 辎 辽 翻 摇 h 姐 第三章模拟加载技术的研究 3 模拟加载技术研究 本章将从理论上对模拟加载技术的可行性进行分析论证，并在此 基础上提出模拟加载的技术方案，进一步对技术环节中的软硬件部分进 行设计分析。 3 1 模拟加载技术方案 3 1 1 模拟加载理论分析 模拟加载就是要控制发电机使其按照给定的运动方式和载荷大小 运转，这样才能够试验台上模拟出被试传动装置的真实载荷环境，进而 对被试传动装置的承载性能进行综合评价。 由2 4 3 节的分析可知，本试验台采用调节发电机工作磁通的方式 来调节发电机的输出电磁阻转矩，从而实现了对被试件的加载。 由图2 1 5 可以看出，试验台的力矩给定控制部分是一个开环控制 系统，该开环控制系统的主要框图如图3 1 所示。 一1 5 v 力 拾 图3 1 力矩给定开环控制系统 图3 一l 中，电位器给定的控制电压u 。经过放大整形等前置处理后 用来控制触发脉冲的相位，进而控制整流装置输出的直流电压u 。的大 小，该直流电压又改变发电机工作磁通，从而改变发电机电磁阻转矩。 可以采用计算机控制技术来代替电位器，由计算机自动给定u ，。这样 既可以提高精度，又实现了自动加载，。同时，在控制系统上将开环控