電機負荷模擬液壓裝置設計與控制研究

王成長

（吉林化工學院，吉林 吉林 132000）

隨著電機技術的不斷發展，電機的性能也在不斷提升。相對傳統的動力設備，電機的特點是：結構較為簡單，維修方便，功率覆蓋范圍廣、輸出轉矩大，并且電機的種類非常多，例如,直流電機、交流電機、同步電機、異步電機等，所以電機應用的領域也比較廣，能夠用于傳動設備、信息處理設備、交通運輸設備、家電設備等。當電機工作時，在不同的工況下，電機的轉速不同，承受的載荷不同，所以電機的工作性能會產生變化。為了保障電機良好的工作性能，在機電設備研發階段，需要對電機進行性能測試，涉及電機的空載轉速、負載轉速、空載電流、負載電流、電機功率、電機負載力矩等。考慮到電機的耐久性，不僅要求電機在不同工況下精準的切換工作狀態，并且使得電機長時間在不同工況下運行，如果將電機放在實際使用的設備中進行測試，不僅要考慮電機，還要考慮其他零部件的可靠性及使用環境，并且還會使用到其他附加設備，使得測試過程繁雜、測試投入增多，測試條件受到嚴重制約，因此，需要設計電機性能模擬裝置，尤其是電機負荷模擬裝置，并且能夠控制電機負荷，模擬電機在設備中運行的全部狀態，提升電機的測試效果。

1 電機負荷模擬液壓裝置設計

進行電機負荷模擬液壓裝置設計時，需要考慮電機的負載特性，模擬的負載具備高頻特征，在搭建模擬裝置時，電液系統是最合適的。為了模擬各類電機的負載性，裝置在慣性負載存在的情況下，通過調整角加速度的變化來改變負載，所以需要對模擬裝置進行控制。

該裝置主要由電動機、電液控制閥、液壓泵、扭矩傳感器、聯軸器、壓力表等部件組成。裝置結構如圖1所示。

圖1 電機負荷模擬液壓裝置結構示意

其中電動機作為液壓裝置的動力來源，電動機連接電液控制閥，電液控制閥為液壓泵的一部分，液壓泵連接聯軸器，同時，液壓泵上帶有壓力表，便于查看液壓泵的壓力，聯軸器連接被測電機，同時，聯軸器上裝有扭矩傳感器，用于監測電機測試過程中負荷的實時變化。

當電機進行測試時，系統通過控制電液控制閥，調節液壓泵的壓力，從而控制對測試電機施加不同的負載。電液控制閥安裝在液壓泵上，液壓泵主要包括主泵、主泵溢流閥、電液控制閥、換向閥、液壓分泵、單向閥、補油泵以及補油泵溢流閥。

電液控制閥依照輸入的信號，對油液走向、閥口大小進行調節，以此使得液壓分泵的輸出方向、力矩得以控制；換向閥的作用是對液壓分泵的工作狀態進行選擇，還有另一個功能，主要是防止補油泵油液直接流回油箱導致液壓分泵吸空。系統中各個電磁鐵通電不同，液壓系統實現的功能也存在差異，液壓系統若是進入馬達狀態，那么便會增加電機的扭矩壓力，以此使得電動機得以轉動；若是處于泵狀態，主泵中的流量則會直接通過閥，之后再返回到油箱中，此時不再做功，整個系統可以依照對節流口的壓差、伺服閥節流口的調節，來對電機的扭矩進行調整，這是一種被動加載。液壓泵的液壓結構圖如圖2所示。

圖2 液壓泵的液壓結構圖示意

電動機、液壓分泵在液壓裝置中，會模擬各種負載，進而產生不同的作用。液壓系統若在模擬電機性負載時，那么，便需對電機做正功，這一過程中離不開液壓系統對電動機的驅動，以此促進電動機速度的增加；系統若模擬的是電機正弦負載，那么主液壓泵的輸出液壓油，會直接流回到油箱中，但不繼續做功，此時，液壓分泵會充當泵的作用，電機會促進泵的繼續轉動，泵出口的液壓油在調節節流口、伺服閥節流口的作用下，使得加載在電機上的負載扭矩得以控制。

在構建電液控制閥控液壓泵的數學模型時，如液壓泵在起作用，那么，被測試的電動機便成為動力元件，進而繼續促進液壓泵的運動，泵出油在電液對閥節流的控制作用下，同時，對電液控制閥的閥芯進行調節，模擬了電機上高低頻正弦力矩的增加情況。因為液壓系統所模擬的轉矩，產生的變化較為劇烈，液壓系統形成的沖擊作用較大。因此，在建立液壓泵模型的過程中，應對其中的彈性模量加以注重，液壓泵的涉及的基本公式為：

通過對公式2進行求解，可以得出泵加載到電機上的負載扭矩，如下列公式所示：

式中，代表液壓泵的輸出量，代表泵的排量，代表泵的角速度，代表泵的泄露系數，代表泵輸出油壓，代表泵到電液控制閥之間的總容積，代表泵至電液控制閥之間的彈性模模量，s代表傳遞函數中的微分因子。

液壓裝置為了達到全閉環狀態，在液壓系統、電機軸的連接處，增加一個轉矩傳感器元件，進而及時將液壓裝置輸出的扭矩情況，進行反饋；通過輸入信號、輸出信號之間產生的差，便可以得到系統在輸出中形成的誤差。在對液壓控制系統實施控制時，均是依照誤差情況，來對系統中的參數進行調整的，這樣可以使得系統中的輸出性能，逐步得到優化、改善。與此同時，電機的轉速也會給系統的控制帶來一定的影響。所以，為了使得系統的精度性得到保障，應在電機軸處增加一個即轉速傳感器，以此使得電機的轉速情況可以得到實時的反饋。同時，由于轉速、扭矩兩種傳感器的頻率較高，均高于系統產生的工作頻率，所以可以認為其是一個比例的環節。由此可以推出下列公式：

式中，UT代表轉矩傳感器的輸出電壓，UW代表轉速傳感器的輸出電壓，K2代表轉矩傳感器增益，K3代表轉速傳感器增益。

2 電機負荷模擬裝置的控制

當液壓裝置中的液壓泵工作時，負載模擬系統模擬的是電機工況中的高低頻正弦沖擊負載。由于與高頻負載有一定關系，因此，液壓系統在進行模擬的過程中，可能會產生一定的相位誤差、幅值誤差，所以控制方式采用PID 閉環方式控制。

閉環系統產生的輸出信號，可以在反饋的作用下，到達輸入端，這一系統相比開環系統來說，具有較強的穩定性、精確度。閉環系統涵蓋了全閉環、半閉環兩種控制系統。前者反饋信號的引出，是直接來自系統的輸出端，這一系統可以避免參數變化帶來的信號干擾，所以其特點是精度較高。后者反饋信號的引出是直接來自系統的輸出端，反饋的信號可能會由于系統參數的改變、干擾等，導致反饋精度的不斷下降，本系統運用的是全閉環的方式，來實現系統的控制。

依照PID控制原理，轉矩傳感器可以視作為比例環節，同時，系統的反饋環節能夠為輸出提升相應的增益系數，進而使得系統的輸入端可以直接得到反饋，得到圖3所示原理框圖。

圖3 閉環控制系統原理框圖

為了能夠精準控制和實現實時調節功能，運用模糊PID控制器作為裝置控制的方式。模糊PID控制在模糊理論中，是依照偏差值來實現對PID參數調節的效果，進而使得控制體系得到優化。

模糊PID控制器的設計程序是：第一，常規PID設計、確定初始參數；第二，對模糊控制器的輸入輸出、變量的確定；第三，對模糊控制器的規則進行設計；第四，對模糊控制器清晰化、模糊化方式的確定。

模糊PID控制系統的構成是：PID模塊、模糊控制模塊等，其中前者是在系統的偏差作用下，以PID模塊參數，實現調整效果的。模糊PID控制系統的原理如圖4所示。

圖4 模糊PID控制系統原理框圖

3 裝置控制仿真分析

為了驗證電機負荷模擬液壓裝置的功能是否正常，需要對液壓裝置進行仿真模擬以及試驗驗證。對電機負荷模擬采用Matlab軟件中的simulink模塊進行建模并分析。在Matlab軟件中進行環境設置時，選取電壓式電動機，以轉速作為電機的輸入參數。電機其他參數設置如表1所示。

表1 電機參數設置

通過該仿真可以看到，在電機不同轉速時，扭矩隨著時間的變化情況，設定在某個情況下，電機的轉速為100rad/s，通過將目標扭矩和時間的變化情況以正弦信號輸入模擬模型，通過仿真后，輸出裝置運行后被測電機的扭矩和時間變化曲線，如輸出結果和輸入波形越貼近，則表明裝置的控制程度越好。

通過將目標正弦信號輸入后，模擬結果如圖5所示。

圖5 仿真結果

圖5為被測電機運行穩定后的仿真結果，其中藍色為輸入信號，紅色為輸出信號，從模擬結果看，輸入和輸出信號的波形基本一致，說明PID控制系統在輸出穩定時對輸入信號的跟蹤效果比較好，進一步說明使用PID控制能夠滿足測試需求。

4 結語

本文針對機電設備研發階段，滿足電機性能測試的要求，同時，需要滿足電機在工作過程中，具有充分的精確性、可靠性，并建立了電機負載的模擬裝置。這一裝置主要由電動機、電液控制閥、液壓泵、扭矩傳感器、聯軸器、壓力表等部件組成，并對液壓系統進行了模型建立。并對裝置的控制進行了研究。利用PID控制方式，完成了負載模擬數學模型的建立，與此同時，運用Matlab軟件來實現仿真。所得結果為：在進行正弦負載的模擬過程中，PID控制效果較好，滿足裝置對電機的測試需求。