基于工業現場數據的程控模擬負載的研制

胡然，謝白松

（1.貴陽職業技術學院；2.貴陽市數控加工工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081 ）

1 現有模擬負載裝置綜述

傳統的實訓裝置模擬電動機負載運行的方法：

1.1 采用機械制動片

在電動機軸上加裝制動盤，手動調節制動片在剎車盤上的壓力，給電機軸上加制動力，典型應用為廣東某公司的變頻調試實訓系統。因調節裝置為手動，只能預設固定制動力，無法模擬電機實際運行時的動態工況。

1.2 采用電動機-發電機組

利用電動機-發電機組，即在實訓電動機上同軸加裝一臺直流發電機，通過在發電機電壓輸出端接假負載，以實現電動機的負載運行，常見的假負載為大功率電阻箱，典型應用為天津源峰公司的雙閉環直流調速、調壓實訓系統，該方案通過選擇不同的負載電阻，實現負載的變化，但由于仍為手動調節，同樣無法模擬電機在實際運行時的動態工況。

1.3 采用磁粉制動器

通過在電動機軸上同軸加裝磁粉制動器，利用磁粉制動器輸出轉矩與激磁粉電流，呈良好的線性關系，而與轉速或滑差無關，并具有響應速度快、結構簡單的特點，通過PLC將24V控制電壓加載在磁粉制動器上，模擬電動機滿載、堵轉等幾類單一工況，仍無法模擬電機實際運行時的動態工況。典型應用為浙江亞龍教育裝備公司的電機裝配（安裝）與運行檢測實訓系統。

2 模擬負載的工作原理

本裝置選用磁滯制動器作為實訓電動機的機械負載，在作為控制器的單片機中，事先預置多種基于工業現場數據的典型電機實際負載曲線庫，單片機根據選調的典型電機實際負載曲線庫進行負載模擬，并輸出控制電壓給磁滯制動器，通過磁滯制動器產生一定的負載扭矩對實訓裝置電機進行控制，理論上可模擬任意設備上的電動機工況，可按真實的生產過程，動態改變電機軸上的負荷，從而在教室里模擬生產現場復雜多變的負載變化，使學生透徹的理解相關控制原理。

工業現場數據的程控模擬負載原理框圖，見圖1。

圖1 原理框圖

2.1 磁滯制動器的工作原理

磁滯制動器利用磁滯原理，通過控制輸入的勵磁電流，產生一定的扭矩。控制電流和輸出扭矩有較好的線性關系，輸出扭矩和轉速無關，可以實現高精度的0扭矩到滿量程扭矩輸出控制，可用于小扭矩、高轉速的電機測試場合，是一種優越的力矩控制部件。它能提供光滑、無級可調、與轉速無關的轉矩控制。該部件根據實訓裝置電機功率、轉數選配，可根據實訓設備上電機的安裝方式，選擇單出軸磁滯制動器與雙出軸磁滯制動器，通過彈性聯軸器、皮帶等與實訓設備電機進行連接。

2.2 系統控制器

系統控制器的設計既可用于模擬負載，也可用于模擬儀表。

（1）系統控制器可以根據不同設備的電機實際負載曲線進行模擬，其輸出直接控制磁滯制動器，若取消功率部分，即是一個完整的模擬儀表。

該控制器核心采用內部具有8路10位AD轉換、2路PWM和可擦寫10萬次的1KB容量的EEPROM等專用功能的增強型8位單片機STC-12C5A60S2。其原理是利用STC單片機內部程序，將預置在單片機FLASH中的電機實際負載曲線庫，用特定算法將其轉換成PWM波輸出，利用該PWM波經過一個PWM/V工控質量的專用轉換模塊，輸出對應的控制電壓，為方便觀察記錄，根據成本控制需求，可將曲線利用液晶點陣或4位大型數碼管實加以顯示，控制電壓輸出精度為0.1V。

（2）電機實際負載曲線庫數據是典型生產設備實際工作時采集的數據，能真實反映電機的實際工況。

2.3 功能設置、接口及顯示

（1）電路中設置標準開關量和模擬量輸入端口，便于采集控制信號，實現自動調整負載大小。

（2）設置了3鍵按鈕，可實現選調預置在單片機中的最多10種典型電機負載特性曲線庫。

（3）液晶點陣（或4位數碼管）除了實時直觀顯示負載特性曲線（或曲線組號）外，還實現開機時顯示最后一次設置的狀態數據，與3鍵按鈕配合顯示參數設定。

（4）利用單片機內部的掉電保持數據的EEPROM單元，將最后一次的參數設定進行保存，方便使用。

3 電路設計

圖2 電路原理圖

4 工程樣機制作及運行試驗

4.1 工程樣機主要技術參數

額定工作電壓：DC 24V；顯示：0000～9999；繼電器輸出：250VAC，3A；控制信號輸出：0～10mA或4～20mA或1～5V或開關量，可選；控制信號輸入：0～10mA 或 1～5V， 可 選； 額定扭矩：2kg·cm（僅限模擬負載）；最高轉速：25000r/min（僅限模擬負載）；程序輸入：RS232接口輸入。

圖3 工程樣機實物圖片

4.2 工程樣機實物圖（如圖3、4）

圖4 工程樣機裝配在YL-235實訓裝置的狀態

4.3 工程樣機試運行

研究團隊將現場采集的磷礦皮帶運輸機主拖動電機工況曲線、龍門刨床主拖動電機工況曲線等現場的數據輸入控制器，經接入實訓裝置，電動機模擬運行，完全滿足實訓教學的要求，基本實現了設計目標。以在YL-235的應用為例，按圖4將本裝置與實訓裝置裝配在一起，并將1#光電傳感器輸出信號聯至本裝置控制器開關量輸入口，當傳感器檢測到有物體在皮帶上傳送時，控制器開始按照磷礦皮帶運輸機主拖動電機工況曲線輸出控制電壓，隨著電壓的上升，磁滯制動器制動轉矩逐漸增加，電動機的電流將顯著增大。若實訓學員未正確設置驅動電動機的變頻器PID調節器，此時皮帶的運行速度將顯著變化，若學員根據電動機工況正確設置了變頻器PID調節器參數，在電動機電流增大的同時，電動機運行平穩。

5 結語

本文詳細介紹了用單片機控制的磁滯制動器制作實訓電動機模擬負載的方法，給出了模擬負載系統結構，并通過工程樣機試制，驗證了該方案的可行性，該系統已成功應用于YL-235光機電一體化實訓裝置。但由于市場上采購的磁滯制動器，長時間連續工作的功率較小，當用于本裝置時，長時間使用易過熱，下一步將針對如何改進磁滯制動器的散熱、提高其功率作進一步研究。