□ 高施琛 □ 呂永福 □ 馮 浩 □ 邢科禮

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

齒輪泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方法研究

□ 高施琛 □ 呂永福 □ 馮 浩 □ 邢科禮

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

介紹了在電磁干擾環(huán)境中齒輪泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速控制方法，即通過綜合使用硬件與軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行抗干擾處理，同時(shí)采用“計(jì)算機(jī)串口通信設(shè)定變頻器頻率與外部電壓信號(hào)控制頻率的組合方式”對(duì)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。實(shí)踐結(jié)果證明，此方法行之有效。

電磁干擾 轉(zhuǎn)速控制 硬件抗干擾 軟件抗干擾 串口通信

齒輪泵是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?，具有壓力高、耐污能力?qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工程機(jī)械、建筑機(jī)械等各類液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)品質(zhì)量也直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，而出廠性能檢測(cè)是保證齒輪泵質(zhì)量的主要方法。

目前我國齒輪泵的出廠性能測(cè)試主要依據(jù)JB/T 7041-2006液壓齒輪泵標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試項(xiàng)目包括排量試驗(yàn)、容積效率試驗(yàn)等，其中對(duì)于齒輪泵轉(zhuǎn)速的測(cè)量需要達(dá)到±1%要求（B級(jí)精度）。某企業(yè)根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn)，需要檢測(cè)齒輪泵在不同轉(zhuǎn)速下的輸出流量是否達(dá)到設(shè)計(jì)的參考流量，作為對(duì)齒輪泵性能判定的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)齒輪泵出廠性能測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行了補(bǔ)充，開發(fā)了一套齒輪泵出廠性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“排量試驗(yàn)”之前新增了“跑合試驗(yàn)”項(xiàng)目，將最低轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速之間設(shè)定5個(gè)等分轉(zhuǎn)速，并分別測(cè)量相應(yīng)轉(zhuǎn)速下空載壓力至額定壓力范圍內(nèi)的壓力點(diǎn)流量。由于“跑合試驗(yàn)”各階段齒輪泵的設(shè)定轉(zhuǎn)速不同，若轉(zhuǎn)速控制不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致“跑合試驗(yàn)”所測(cè)量的流量與在該階段設(shè)定轉(zhuǎn)速下的參考流量不匹配，從而引起對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的誤判。如何有效地控制被測(cè)齒輪泵的轉(zhuǎn)速是確保產(chǎn)品出廠性能檢測(cè)的關(guān)鍵因素，由于閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的控制性能，筆者用此方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪泵轉(zhuǎn)速的精確控制。

1 齒輪泵性能測(cè)試臺(tái)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

▲圖1 控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)控制系統(tǒng)的輸出與輸入量之間存在著反饋通道時(shí)，系統(tǒng)的輸出對(duì)控制作用有直接影響的稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文采用如圖1所示的齒輪泵性能測(cè)試閉環(huán)

控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由測(cè)量元件、放大元件、執(zhí)行元件組成，其中測(cè)量元件包括：壓力傳感器、流量計(jì)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、分貝儀、溫度傳感器；放大元件采用比例放大器；執(zhí)行元件包括：變頻器、電機(jī)、比例溢流閥等。在本系統(tǒng)中，預(yù)設(shè)值為根據(jù)測(cè)試需要在控制系統(tǒng)程序中設(shè)定的齒輪泵測(cè)試參數(shù)值；控制器的作用是依據(jù)控制算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使被控對(duì)象的實(shí)際值與預(yù)設(shè)值接近；而數(shù)據(jù)采集及處理是對(duì)采集的原始信號(hào)進(jìn)行分析、過濾和處理。其中，跑合試驗(yàn)的預(yù)設(shè)值為齒輪泵的轉(zhuǎn)速值，測(cè)量元件為扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，執(zhí)行元件為變頻器和電機(jī)。

2 齒輪泵轉(zhuǎn)速控制的主要影響因素分析

在進(jìn)行跑合試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速精確控制前，有必要分析系統(tǒng)中影響轉(zhuǎn)速控制的主要因素。由于本測(cè)控系統(tǒng)采用變頻器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)使用環(huán)境中存在較大的電磁干擾，因此影響齒輪泵轉(zhuǎn)速控制的因素主要包括兩個(gè)方面：①外部電磁信號(hào)的干擾，包括變頻器逆變時(shí)產(chǎn)生的高次諧波以及其它設(shè)備輻射的干擾，系統(tǒng)外部的各種電磁干擾信號(hào)通過反饋通道影響被測(cè)泵轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集精度和準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)速控制的不準(zhǔn)確；②變頻器轉(zhuǎn)速控制方法的選擇，通過變頻器控制轉(zhuǎn)速的方法有多種，選擇合適的控制方法將有助于提高控制精度。

目前抗干擾的方法包括硬件和軟件兩種。在硬件上常用的抗干擾措施有正確接地、屏蔽干擾源、合理布線、隔離干擾、在線路中設(shè)置濾波器等方法，采用硬件抗干擾措施的效果明顯，不僅可以防止對(duì)自身系統(tǒng)的干擾，也能防止對(duì)其它設(shè)備的干擾，缺點(diǎn)在于增加成本；軟件常用的抗干擾方法有：①程序判斷濾波。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最大偏差Δy，若超過此偏差值，則表明輸入信號(hào)是干擾值，應(yīng)該去掉；如果小于此偏差值，則可以將信號(hào)作為此次采樣值。②中值濾波。對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣N次，然后把N次采樣值從小到大或從大到小排隊(duì)，再取中間值作為本次采樣值。③均值濾波。對(duì)于一點(diǎn)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果。程序判斷濾波能夠屏蔽超過最大偏差Δy的干擾值，但是不能消除較小干擾值的影響，若單獨(dú)使用此方法，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速有較大的波動(dòng)。均值濾波可以減小隨機(jī)干擾的影響，在一般情況下其抑制噪聲能力不如中值濾波，但中值濾波對(duì)快速變化的參數(shù)不宜采用。

通過變頻器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的方法目前有3種模式：①利用變頻器的控制面板調(diào)節(jié)，此方法人工操作復(fù)雜，專業(yè)化要求高，適用于調(diào)試階段；②利用外部電壓信號(hào)控制變頻器頻率，通常是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器給定外部電壓控制信號(hào)，這樣做不僅浪費(fèi)人力，而且實(shí)時(shí)性和可靠性不高；③通過串行通信接口控制變頻器頻率。計(jì)算機(jī)與變頻器之間的串行通信，靈活、方便、可靠性強(qiáng)，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，具有很好的實(shí)用性，并可解決數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、儲(chǔ)存等問題，是比較理想的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。

3 齒輪泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

從上述分析可以看出，要實(shí)現(xiàn)齒輪泵性能測(cè)試中試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的精確控制，必須保證準(zhǔn)確的閉環(huán)反饋信號(hào)采集以及精確的變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

（1）閉環(huán)反饋信號(hào)抗干擾處理。本文采用硬件與軟件相結(jié)合的抗干擾措施。在硬件上，通過在變頻器輸入端/輸出端增加輸入濾波器/輸出阻抗器，使用屏蔽電纜，在源頭上屏蔽轉(zhuǎn)速信息干擾源；在軟件上，通過增加數(shù)據(jù)濾波程序進(jìn)行抗干擾處理。首先使用“程序判斷濾波”去掉超出最大偏差的采樣值，綜合使用均值濾波和中值濾波，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和平穩(wěn)。當(dāng)測(cè)試流程由上一個(gè)測(cè)試階段進(jìn)入下一個(gè)測(cè)試階段時(shí)，由于各個(gè)測(cè)試階段的設(shè)定轉(zhuǎn)速不盡相同，泵轉(zhuǎn)速將從當(dāng)前轉(zhuǎn)速調(diào)整至下一個(gè)測(cè)試階段的設(shè)定轉(zhuǎn)速。此過程泵轉(zhuǎn)速快速變化，用戶對(duì)數(shù)據(jù)采集要求能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)，而對(duì)精度要求不高，此過程可采用均值濾波方法；當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)整漸趨穩(wěn)定，用戶對(duì)數(shù)據(jù)精度要求較高，采集的數(shù)據(jù)要能夠反映齒輪泵的真實(shí)特性，此過程可采用中值濾波方法。

圖2、圖3是泵轉(zhuǎn)速從0～1 500 r/min過程中采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)，其中圖2是未進(jìn)行抗干擾處理時(shí)采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)，圖3是按上述抗干擾方法處理后采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)。實(shí)踐表明，本文所用的抗干擾方法非常有效，采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)準(zhǔn)確，能夠?yàn)楸棉D(zhuǎn)速的閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的反饋。

（2）變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。由于本齒輪泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)用于企業(yè)產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)，必須考慮試驗(yàn)臺(tái)的工作效率，而變頻器控制面板調(diào)節(jié)及外部電壓信號(hào)控制方法缺乏效率，因此本系統(tǒng)采用變頻器和計(jì)算機(jī)串口通信設(shè)定變頻器頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此方法具有較高的效率及可靠性。根據(jù)齒輪泵的設(shè)定轉(zhuǎn)速，通過串口通信的方式設(shè)置變頻器的頻率，使齒輪泵的理想轉(zhuǎn)速為設(shè)定轉(zhuǎn)速。由于負(fù)載以及外界波動(dòng)會(huì)使泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定偏差，在泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，可同時(shí)采用外部電壓控制信號(hào)方法對(duì)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)。通過 “計(jì)算機(jī)串口通信設(shè)定變頻器頻率與外部電壓信號(hào)控制頻率的組合方式”可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵轉(zhuǎn)速的精確控制，轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)±1%。為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于外部電壓控制信號(hào)采用研華PCI1710采集卡進(jìn)行輸出。

▲圖2 未進(jìn)行抗干擾處理的信號(hào)

▲圖3 進(jìn)行抗干擾處理后的信號(hào)

▲圖4 轉(zhuǎn)速控制流程

▲圖5 轉(zhuǎn)速控制結(jié)果

采用上述組合方式進(jìn)行變頻電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，首先需要設(shè)定變頻器部分參數(shù)，將變頻器的調(diào)節(jié)頻率模式設(shè)置為“組合模式”并選擇為“第一通道+第二通道”的方式，設(shè)定變頻器的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議；其次，根據(jù)變頻器的通信協(xié)議發(fā)送命令幀，啟動(dòng)電機(jī)，設(shè)定變頻器頻率，讀取響應(yīng)幀獲取變頻器的實(shí)際頻率；最后，讀取泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算外部電壓控制信號(hào)：

式中：△V為需要輸出的外部控制電壓；［L-28］為變頻器輸入上限電壓；△n為設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值；nset為設(shè)定轉(zhuǎn)速；Kp為計(jì)算外部控制電壓的比例系數(shù)；b為計(jì)算外部電壓的補(bǔ)償值。

外部電壓控制信號(hào)由采集卡輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，圖4所示為泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程。相較于其它控制過程，由于被測(cè)齒輪泵0～1 500 r/min轉(zhuǎn)速的控制過程具有轉(zhuǎn)速相差最大、加速時(shí)間最長、沖擊最大等特點(diǎn)，是本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試中的最差工況，基于上述組合控制方法進(jìn)行齒輪泵0～1 500 r/min轉(zhuǎn)速的實(shí)際控制結(jié)果如圖5所示。從控制效果可以看出，本文采用的控制方法非常有效，轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到了±1%，完全滿足并超過了JB/T 7041-2006標(biāo)準(zhǔn)以及該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)束語

為了保證轉(zhuǎn)速控制有較高精度，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制形式進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。本文采用“硬件抗干擾與軟件抗干攏相結(jié)合”對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行抗干擾處理，具有效果優(yōu)良且成本低的特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用性；同時(shí)結(jié)合變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，采用“計(jì)算機(jī)串口通信設(shè)定變頻器頻率與外部電壓信號(hào)控制頻率的組合方式”進(jìn)行被測(cè)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，具有控制精度高、效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。實(shí)踐結(jié)果證明，本文所述控制方法對(duì)被測(cè)試齒輪泵的轉(zhuǎn)速控制取得非常好的效果，測(cè)量及控制精度可達(dá)±1%，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求及企業(yè)要求。

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2015年1月