具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台及控制算法

摘要

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟，特别是具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台及控制算法。通过同步采集飞轮转速、电动机输出扭矩，计算出飞轮动能相对于试验给定初始转速时的总下降值，按数学模型计算出电机应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，据此计算出电动机在下一个控制周期的力矩输出值，使得试验台在相当于理想飞轮且没有系统固有阻力的状态下运行。它具备能量补偿误差的自动补偿功能，从而将总误差控制在很小的范围内；实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求；节省投资和运行成本。

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟，特 别是具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台及控制算法。

背景技术

在各种制动器的台架试验中，需要测试不同条件下制动器的制动性能，其 本质是制动器消耗在特定工况下设定的能量。因此，制动试验台应具备提供在 不同工况下特定能量的功能。传统的机械模拟试验台采用飞轮储备机械能，其 特点是：飞轮转动惯量是固定的或是固定分级的，因此其转动惯量是固定的或 有级差，需要有足够多的不同转动惯量的飞轮才能满足转动惯量的匹配精度， 但无法始终精确匹配。若飞轮组需要自动组合，则会增加轴承数量，导致系统 固有阻力增加，降低试验精度。若飞轮人工组合，则设备运行效率降低，无法 满足对试验节奏有要求的试验。当试验有加速度要求时，可导致电机功率增大， 增加设备制造和运行成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台 及控制算法，以实现转动惯量的精确匹配，提高试验精度。同时可对试验台的 主要机电参数进行优化配置。并消除试验台系统固有阻力的影响。

本发明的目的是这样实现的，具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试 验台，其特征是：至少包括测速传感器、拖动电机、扭矩传感器、飞轮组、电 气传动控制单元和电惯量模拟控制单元；拖动电机和飞轮组之间安装有扭矩传 感器，轴端有测速传感器，测速传感器和扭矩传感器的输出信号分别输入到电 惯量模拟控制单元，由电气传动控制单元驱动拖动电机，拖动飞轮或飞轮组运 行到设定转速，然后开始制动过程；由电惯量模拟控制单元获取扭矩传感器和 测速传感器同步采集的飞轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元计算 出飞轮动能相对于试验给定初始转速时的总下降值，依据数学模型计算出电机 应补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，然后计算出 拖动电机在下一个控制周期的力矩输出值，使得试验台在相当于理想飞轮且没 有系统固有阻力的状态下运行。

所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量是依据数学模型公式： $E_m=\frac{1-K}{K}·E_f+E_R$

式中，E_f是飞轮的动能，E_R是系统固有阻力在制动过程中消耗的能量， I_f是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，E是理想飞轮的动 能。

具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台的控制算法：

令：控制周期Δt＝t_i+1-t_i

t₀：检测T_m0、ω₀，电机切换到力矩控制状态，进入电惯量模拟；

t₁：检测T_m1、ω₁

t₁～t₂：

$E_{f1}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_1^2)$t₁时刻飞轮动能的总下降值；

$E_{R1}=\frac{T_{R0}+T_{R1}}{3}·\frac{{\omega }_0+{\omega }_1}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₁时刻系统固有阻力消耗的总能量；

$E_{m1}=\frac{1-K}{k}·E_{f1}+E_{R1}$t₁时刻电机应补偿的总能量；

$E_{m1}^{\prime }=\frac{T_{m0}+T_{m1}}{2}·\frac{{\omega }_0+{\omega }_1}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₁时刻电机已补偿的总能量；

ΔE_m1＝E_m1-E′_m1    t₁时刻电机应补偿的能量；

$T_{m1}=\frac{\Delta E_{m1}}{{\omega }_1·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定；

t₂：检测T_m2、ω₂

t₂～t₃：

$E_{f2}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_2^2)$t₂时刻飞轮动能的总下降值。

$E_{R2}=E_{R1}+\frac{T_{R1}+T_{R2}}{2}·\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₂时刻系统固有阻力消耗的总能量；

$E_{m2}=\frac{1-K}{k}·E_{f2}+E_{R2}$t₂时刻电机应补偿的总能量；

$E_{m2}^{\prime }=E_{m1}^{\prime }+\frac{T_{m1}+T_{m2}}{2}·\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₂时刻电机已补偿的总能量；

ΔE_m2＝E_m2-E′_m2    t₂时刻电机应补偿的能量；

$T_{m2}=\frac{\Delta E_{m2}}{{\omega }_2·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定；

t₃：检测T_m3、ω₃

t_i：检测T_mi、ω_i

t_i～t_i+1：

$E_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_i^2)$t_i时刻飞轮动能的总下降值；

$E_{\mathrm{Ri}}=E_{\mathrm{Ri}-1}+\frac{T_{\mathrm{Ri}-1}+T_{\mathrm{Ri}}}{2}·\frac{{\omega }_{i-1}+{\omega }_i}{2}·\mathrm{\Delta t}$t_i时刻系统固有阻力消耗的总能量；

$E_{\mathrm{mi}}=\frac{1-K}{k}·E_{\mathrm{fi}}+E_{\mathrm{Ri}}$t_i时刻电机应补偿的总能量；

$E_{\mathrm{mi}}^{\prime }=E_{\mathrm{mi}-1}^{\prime }+\frac{T_{\mathrm{mi}-1}+T_{\mathrm{mi}}}{2}·\frac{{\omega }_{i-1}+{\omega }_i}{2}·\mathrm{\Delta t}$t_i时刻电机已补偿的总能量；

ΔE_mi＝E_mi-E′_mi    t_i时刻电机应补偿的能量；

$T_{\mathrm{mi}}=\frac{\Delta E_{\mathrm{mi}}}{{\omega }_i·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定；

t_i+1：检测T_mi+1、ω_i+1

t_n-1：检测T_mn-1、ω_n-1

t_n-1～t_n：

t_n：检测T_mn、ω_n

ω_n≤[ω]    制动结束。

本发明的优点是：通过同步采集飞轮转速、电动机输出扭矩，计算出飞轮 动能相对于试验给定初始转速时的总下降值，按数学模型计算出电机应补偿的 总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，据此计算出电动机在 下一个控制周期的力矩输出值，使得试验台在相当于理想飞轮且没有系统固有 阻力的状态下运行。它具备能量补偿误差的自动补偿功能，从而将总误差控制 在很小的范围内；实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求； 节省投资和运行成本。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例原理图。

图中:1、测速传感器；2、拖动电机；3、扭矩传感器；4、飞轮组；5、电 气传动控制单元；6、电惯量模拟控制单元。

具体实施方式

如图1所示，具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台，至少包括 测速传感器1、拖动电机2、扭矩传感器3、飞轮组4、电气传动控制单元5和 电惯量模拟控制单元6。拖动电机2和飞轮组4之间安装有扭矩传感器3，轴端 安装有测速传感器1，测速传感器1和扭矩传感器3分别与电惯量模拟控制单元 6电连接，由电气传动控制单元5驱动拖动电机2拖动飞轮或飞轮组4运行到设 定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元6获取扭矩传感器3和测速传 感器1同步采集的飞轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元6计算出 飞轮动能相对于试验给定初始转速时的总下降值，依据数学模型计算出电机应 补偿的总能量，同时算出电机已补偿的总能量并得出二者之差，然后计算出拖 动电机2在下一个控制周期的力矩输出值，使得试验台在相当于理想飞轮且没 有系统固有阻力的状态下运行。

试验台利用飞轮的动能及电动机实时补偿的能量模拟制动器制动时消耗的 能量，测试制动器的性能。需要解决的问题是在制动过程中电动机要将需要的 能量按要求实时地补偿。

所述的依据数学模型计算出电机应补偿的总能量是依据数学模型公式： $E_m=\frac{1-K}{K}·E_f+E_R$

式中，E_f是飞轮的动能，E_R是系统固有阻力在制动过程中消耗的能量， I_f是飞轮的转动惯量，I是理想飞轮的转动惯量，E是理想飞轮的动 能。

电机应补偿的总能量是依据数学模型推导过程如下：

设：

$E_f=\frac{1}{2}{I}_f·{\omega }_0^2---\left(1\right)$

$E=\frac{1}{2}I·{\omega }_0^2---\left(2\right)$

假设存在理想的飞轮且制动在没有系统阻力矩的理想状态下进行，根据牛 顿定律，有：

T_b＝I·ε              (3)

在实际制动过程中，作用在飞轮上的外力有：电机的驱动力矩、制动器的 制动力矩、系统的固有阻力矩（包括机械摩擦、风阻等），根据牛顿定律，有：

T_b-T_m+T_R＝I_f·ε       (4)

由式（3）和式（4）可得：

T_m＝(1-K)·T_b+T_R       (5)

T_m＝(1-K)·I·ε+T_R    (6)

其中：

$K=\frac{I_f}{I}=\frac{E_f}{E}---\left(7\right)$

由式（5）可得：

${\Sigma }_{i=1}^{i=n}{T}_{\mathrm{mi}}·\Delta {\alpha }_i=(1-K)·{\Sigma }_{i=1}^{i=n}{T}_{\mathrm{bi}}·\Delta {\alpha }_i+{\Sigma }_{i=1}^{i=n}{T}_{\mathrm{Ri}}·\Delta {\alpha }_i---\left(8\right)$

于是：

E_m＝(1-K)·E_b+E_R    (9)

根据能量守恒定律，则

E_m+E_f＝E_b+E_R        (10)

由式（9）和式（10），电机在制动过程中应补偿的能量：

$E_m=\frac{1-K}{K}·E_f+E_R---\left(11\right)$

可以得出结论：在制动过程的任一时间节点，式（11）均应得到满足。

具有机械模拟和电惯量模拟结合的制动器试验台的控制算法：

令：控制周期Δt＝t_i+1-t_i

t₀：检测T_m0、ω₀，电机切换到力矩控制状态，进入电惯量模拟；

t₁：检测T_m1、ω₁

t₁～t₂：

$E_{f1}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_1^2)$t₁时刻飞轮动能的总下降值。

$E_{R1}=\frac{T_{R0}+T_{R1}}{3}·\frac{{\omega }_0+{\omega }_1}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₁时刻系统固有阻力消耗的总能量。

$E_{m1}=\frac{1-K}{k}·E_{f1}+E_{R1}$t₁时刻电机应补偿的总能量。

$E_{m1}^{\prime }=\frac{T_{m0}+T_{m1}}{2}·\frac{{\omega }_0+{\omega }_1}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₁时刻电机已补偿的总能量。

ΔE_m1＝E_m1-E′_m1    t₁时刻电机应补偿的能量。

$T_{m1}=\frac{\Delta E_{m1}}{{\omega }_1·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定。

t₂：检测T_m2、ω₂

t₂～t₃：

$E_{f2}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_2^2)$t₂时刻飞轮动能的总下降值。

$E_{R2}=E_{R1}+\frac{T_{R1}+T_{R2}}{2}·\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₂时刻系统固有阻力消耗的总能量。

$E_{m2}=\frac{1-K}{k}·E_{f2}+E_{R2}$t₂时刻电机应补偿的总能量。

$E_{m2}^{\prime }=E_{m1}^{\prime }+\frac{T_{m1}+T_{m2}}{2}·\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}·\mathrm{\Delta t}$t₂时刻电机已补偿的总能量。

ΔE_m2＝E_m2-E′_m2    t₂时刻电机应补偿的能量。

$T_{m2}=\frac{\Delta E_{m2}}{{\omega }_2·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定。

t₃：检测T_m3、ω₃

t_i：检测T_mi、ω_i

t_i～t_i+1：

$E_{\mathrm{fi}}=\frac{1}{2}·I_f·({\omega }_0^2-{\omega }_i^2)$t_i时刻飞轮动能的总下降值。

$E_{\mathrm{Ri}}=E_{\mathrm{Ri}-1}+\frac{T_{\mathrm{Ri}-1}+T_{\mathrm{Ri}}}{2}·\frac{{\omega }_{i-1}+{\omega }_i}{2}·\mathrm{\Delta t}$t_i时刻系统固有阻力消耗的总能量。

$E_{\mathrm{mi}}=\frac{1-K}{k}·E_{\mathrm{fi}}+E_{\mathrm{Ri}}$t_i时刻电机应补偿的总能量。

$E_{\mathrm{mi}}^{\prime }=E_{\mathrm{mi}-1}^{\prime }+\frac{T_{\mathrm{mi}-1}+T_{\mathrm{mi}}}{2}·\frac{{\omega }_{i-1}+{\omega }_i}{2}·\mathrm{\Delta t}$t_i时刻电机已补偿的总能量。

ΔE_mi＝E_mi-E′_mi    t_i时刻电机应补偿的能量。

$T_{\mathrm{mi}}=\frac{\Delta E_{\mathrm{mi}}}{{\omega }_i·\mathrm{\Delta t}}$电机扭矩值，给定。

t_i+1：检测T_mi+1、ω_i+1

t_n-1：检测T_mn-1、ω_n-1

t_n-1～t_n：

t_n：检测T_mn、ω_n

ω_n≤[ω]    制动结束。

按上述数学模型及其控制算法编制计算机控制程序，在每一个控制周期读 取扭矩仪和测速仪测得的电机输出扭矩及转速，计算出电机输出扭矩给定值， 使电气传动系统控制电动机按要求输出扭矩，直至制动过程结束。