硕士论文-扭转疲劳试验机电气控制系统的设计.pdf

南京理工大学 硕士学位论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 姓名：陈科星 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：徐志良 20080701 硕士论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 摘要 汽车构件的疲劳试验是汽车设计、研究中不可或缺的必要过程。本文按照南京驰力 汽车传动装置有限公司技术要求，深入研究了扭转疲劳试验机电气控制系统。由于被测 工件的种类较多，导致其试验参数的大范围变化，r 不同的工件有着不同的试验参数。在 经过对多种方案进行详细的论证、研究、分析、比较并结合工程实际的特殊要求后，最 终确定了合适可行的方案。 上位机软件采用V C + + 6 0 进行设计，主要用它来开发一个人机交互界面，对试验 台发出控制命令、可以打印采集到的扭矩数据并同时将数据进行保存以便查询、对异常 情况进行处理；下位机硬件主要完成电气控制部分的设计，包括电机的控制、电机的驱 动、扭矩信号的采集和接口电路的设计。在搭建完整个电气控制系统后，再配合软件进 行总体调试。 本系统在安装调试完成后能够按照给定参数进行工件测试，在工作过程中实时显示 工件的受力情况，可以自动停机、保存试验数据，可以随时打印试验波形、查询试验数 据，也能够根据不同异常情况进行不同的处理，自动监控试验进行。目前该试验机已投 入使用，从试验的结果来看，系统工作可靠，控制精度高，操作方便，性能良好，它的 研制是成功的、实用的，大大提高了疲劳试验机的自动化程度。 关键词：疲劳试验，人机交互界面，M F C A b s t r a c t 硕士论文 A b s t r ac t T h ef a t i g u et e s to fa u t o m o t i v ec o m p o n e n ti sa l li n t e g r a lp a r to ft h en e c e s s a r yp r o c e s si n c a rd e s i g na n dr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h en a n j i n g a u t o m o b i l qc o m p a n y , Ih a v eI n - d e p t hs t u d yo nt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fr e v e r s ef a t i g u e t e s t i n gm a c h i n e a sm u c ht y p et h eo b j e c th a s ，l e a dt ot h e i r d i v e r s i t yo nt h ec o n t r o lp a r a m e t e r s ， s u c ha sa n g l ea n ds p e e d a f t e rd e t a i ls t u d y , r e s e a r c h ，a n a l y s i so nav a r i e t yo fp r o g r a m sa n dt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n g Iu l t i m a t e l yd e t e r m i n et h em o s ta p p r o p r i a t eo p t i o n s C o m p u t e rs o f t w a r eu s et h eV C + + 6 0t od e v e l o pah u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ew h i c h C a l l g i v eac o n t r o lo r d e rt ot h eo b j e c t ，p r i n ta n ds a v et h ec o l l e c t e dd a t ai no r d e rt oe n q u i r y , d e a l w i t ha b n o r m a ls i t u a t i o n sa n dS Oo n C o m p u t e rh a r d w a r em a i n l yc o m p l e t et h ed e s i g no f e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gm o t o r - c o n t r o l l e d ，m o t o r - d r i v e n ，t o r q u es i g n a l a c q u i s i t i o n a n dt h ed e s i g no fi n t e r f a c ec i r c u i t a f t e rc o m p l e t et h ea l le l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，d e b u g g i n g c o u p l e d 、衍t ht h eo v e r a l ls o f t w a r e I ta l l o w st h eo b je c tw o r k i n ga c c o r dt ot h ep a r a m e t e r sw es e t t e d a n dC a nd i s p l a yi t s w o r k i n gs t a t e sr e a l - t i m e ，a u t o m a t i c a l l ys h u td o w nt h em o t o r , s a v ed a t a a l s oi t C a np r i n t w a v e f o r ma n y t i m e ，e n q u i r ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dm a k et h ea p p r o p r i a t et r e a t m e n ta c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n ta b n o r m a ls i t u a t i o n , m o n i t o rt h ee x p r e m e n ta u t o m a t i c a l l y a tp r e s e n t ，t h e s y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s e ，a c c o r d i n gt h er e s u l t sf r o mt h et e s t ，i tr e l i a b l e ，h i g np r e c i s i o n ， e a s yt oo p e r a t ea n dg o o dp e r f o r m a n c e i t sd e v e l o p m e n ti ss u c c e s s f u l ，p r a c t i c a l ，a n dg r e a t l y i n c r e a s i n gt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o no n t h ef a t i g u et e s t K e y w o r d s ：F a t i g u eT e s t ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，M F C 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：薹型墨喟年- 7 月1日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：螂孑年7 月f 日 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 1 绪论 1 1 论文背景 金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂 的现象称为疲劳破坏。疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。在工作 应力超过疲劳极限时，由于循环应力的反复交变，工件上应力最大或材料最薄弱的地方 首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，当裂纹面上的应力 达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。断裂时，宏观上没有明显的塑料变形，因此 表现为脆断。 对于一般的碳钢，在应力下降到一定程度时，如果经受1 07 次循环仍不破坏，试验 证明循环继续下去工件也不会发生破环。 如今，现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展。严重威胁着现代工业设备 安全的疲劳破坏问题日益突出。根据国外的统计，机械零件的破坏5 0 - - 一9 0 为疲劳 破坏。如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓等，很多机械零部件和结构件的主要破坏方式 都是疲劳。特别是近几十年来，随着机械向高温、高速和大型化方向的发展，机械的应 力越来越高，使用条件越来越恶劣，疲劳破坏事故更是层出不穷。因此，许多国家越来 越重视疲劳极限的研究工作。所以，开展疲劳极限的研究工作在机械制造业中是十分重 要“1 】【2 】： 1 1 1 国外疲劳试验机的技术发展与趋势 微电子技术和计算机技术的发展推动了计算机的广泛应用。二十世纪八十年代初， 国外就已经出现了计算机测控的材料试验机，并形成系列产品，如英国I N S T R O N 公司 的I n s t r a n 8 0 0 0 系列，美国M T S 公司的A l p h a 系列，日本岛津公司的A G A 系列等，从 而实现了材料试验机的自动化、智能化，大大减轻了试验人员的劳动强度，提高了试验 效率，扩充了试验范围，并使试验精度大幅度提高。 目前，试验机产品已经普遍采用计算机控制，其技术结构方面是模拟式逐渐被数字 化和全数字化所取代，由提供数据向提供方法和结果的方向发展；产品结构方面，从技 术密集型逐步转向高技术密集型，达到产品结构的最佳化。总之，现代试验机产品已实 现了计算机化、智能化、数字化、自动化、节能化、微型化和超大型化。 试验机今后的主要发展趋势是对现有的高技木密集型产品的开发和发展，充分利用 新材料，广泛应用机械手和机器人技术以及现代化的通讯技术【3 】f 4 】 5 】o 1 绪论硕士论文 1 1 2 国内疲劳试验的研究情况 在我国，疲劳试验研究的深度和广度都在不断加大，但是只在航天等尖端部门应用 到抗疲劳设计，一般的机械设计并没有得到广泛的普及，只在曲轴等少数零部件上使用 抗疲劳设计。现在，我国已经有很多科研单位、高等院校进行了有关疲劳设计的工作。 在疲劳试验数据处理方面取得了一定成绩，有的工作已经达到了世界水平。在疲劳机制， 疲劳失效分析，典型零部件的疲劳强度、腐蚀疲劳、基础疲劳、低周疲劳和表面强化等 方面都开始了一些工作。特别是最近几十年来，科研单位开展的一系列的试验研究工作， 大大加快了疲劳的研究速度，例如中国汽车工业总公司重庆汽车研究所对Z C A A 型汽 车转向传动轴扭转疲劳试验台的开发，试验台可以控制整个试验使之自动进行，并可以 设置多种参数，可以存取试验数据，但是该试验台对扭矩的显示部分有待完善，扭矩信 息的显示并不是很准确，并且没有对试验数据的打印功能，试验台采用的液压伺服系统， 工作噪声比较大，这些问题都需要改善。总的来说，与发达国家相比，我国还有一定的 差距【6 】【7 】【引。 1 1 3 研究的主题 汽车是高速运动并承载的机械，它的结构设计一定要考虑动态性能，不能按照静 态设计的方法。但是汽车作为一种交通工具，要求有高度的可靠性和安全性，这与结构 轻量化常常是矛盾的。汽车所承受的外部载荷是随时间而变化的动态载荷，其中大部分 是循环动态随机载荷。在这种载荷作用下，汽车的许多构件上都产生动态应力，引起疲 劳损伤，其破坏形式是疲劳断裂。所以，汽车构件的疲劳试验是不可或缺的I l 】【2 1 。 本课题结合南京驰力汽车传动装置有限公司关于汽车方向盘传动轴的产品开发计 划，以在实际工程项目中使用的扭转疲劳试验机电气控制系统的设计任务为背景展开 的，着重对试验机电气控制系统进行研究，包括它的硬件设计、软件设计及其调试。 1 2 研究内容和意义 本论文共分以下几个部分： 第一章即绪论部分主要介绍了本课题的背景，包括其在国内外发展的情况，以及本 课题研究的主题。并简要介绍了疲劳的概念及其研究的重要性。 j 第二章主要在明确了控制系统的性能指标和技术要求后，提出了系统的总体设计， 包括系统的方案论证、以及系统的设计框图及其工作原理。 第三章对构成系统的硬件部分进行了详细的介绍。主要包括由交流伺服驱动器构成 的电机驱动部分，由A C L 8 4 5 4 板卡构成的电机控制部分，由扭矩传感器J N 3 8 8 、F 转换器和P C L 81 2 P G 模数转换器构成的扭矩信号采集部分。此外，还有接口电路的设 计。电机的控制采用了A C L 8 4 5 4 板卡自带的脉冲发生器功能，驱动交流伺服放大器， 2 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 确保了电机变频调速功能的实现；扭矩信号的采集是利用扭矩传感器J N 3 8 8 输出的扭矩 信号( 实际是频率信号) ，由专用的F 转换器将频率信号转换为电压信号，再输入至 P C L - 8 1 2 P G 模数转换器将电压信号由模拟量转为数字量，最后在P C 机中按照一定的算 法算出相应的扭矩值，并显示到界面上去。 第四章详细介绍了试验机系统的软件部分，包括软件的总流程和功能模块设计。根 据控制系统的功能要求，采用模块化的程序设计方法，将各个功能模块独立编程。主要 包括控制部分、数据采集部分、数据库部分和打印部分。其中，扭转电机控制中设有一 个定时器，时间设为电机正转或反转一次所需的时间，它实现了电机正反转功能；泥浆 泵电机中也设置了一个定时器，用于控制电机工作或停止的次数；在数据采集中，添加 了滤波程序，可使波形平滑显示；在数据库设计中，采用的是动态创建与删除数据库和 数据表技术；在打印部分方面，系统调整了映射模式，使得打印出的波形能够满足一定 的标准。 第五章介绍了整个试验台系统的运行步骤和调试过程，并对出现的几个问题及其解 决方法进行了阐述。 第六章总结了本文的主要内容，指出系统需要完善之处，并对系统进行了展望。 市场上可以见到许多成熟的扭转试验机，有些还形成了产品的系列化。这些产品的 技术功能相对来说比较成熟，基本上可以满足一般工业企业的生产需求。而对于重工业 或技术性、研发性较高的企业或部门来说，在市面上所能见到的扭转材料试验机种，无 论是从产品功能，还是从功率特性上都很少有达到需求与供给的理想平衡点，这在一定 程度上制约了这些企业的产品改造与研发，限制了企业的创新能力和发展。此外，随着 我国经济形势的蓬勃发展，工业( 尤其是重工业) 部门对该产品的需求日益增大，而国外 产品的价格一直居高不下，对我国的技术封锁也比较严重，因此尽快开展这方面的研究 并快速形成产品显得十分迫切t a 。本论文就是在这种背景下完成的，希望能够对我国试 验机的发展起到一点积极作用。 1 3 本章小结 本章首先阐述了论文的背景，包括疲劳破坏的概念和疲劳试验的重要性，国内外疲 劳试验的发展情况及其发展趋势；然后指出了论文研究的主题；最后对本课题将要研究 的具体内容及其意义进行了简要说明。 2 系统技术要求和总体设计硕士论文 2 系统技术要求和总体设计 2 1 系统技术要求 整个系统的设计是按照汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法进行设计的，测试 的项目包括滑动试验系统、扭转疲劳试验系统、耐水性试验系统。试验应符合中华人 民共和国汽车行业标准Q C T 6 4 9 2 0 0 0 中“汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法” 的规定【9 】【1 0 1 。 1 扭转疲劳试验 施加正反向的疲劳寿命试验扭矩，经3 x 1 0 5 次循环试验后，总成不允许损坏。 2 耐水性试验 模拟汽车传动轴在雨天行驶的实际情况，测试工件的疲劳寿命。 3 滑动试验 通过电机带动试验台上的滑台，测试工件的疲劳寿命。 4 要求具有打印功能并同时能将打印的数据存盘。 5 要求有数据查询功能。当停止试验后，能查询存储的数据。 6 技术指标要求： 扭转扭矩：+ 2 0 0 N m ； 测量精度：- 4 - 0 2 ； 扭转角度：4 - 1 8 0 0 , - - - 4 - 1 0 8 0 0 ，允许误差：- 4 - 1 0 0 ： 扭转频率：O 1 5 2 H z ( 9 次分 - 1 2 0 次分) ，允许误差2 ； 滑动频率：6 0 次分； 滑动行程：0 - - 3 0 m m ： 注水量：0 3 0 5 升分； 注水周期：注水时间0 5 , 、- 1 小时；干燥时间1 5 - - 3 小时； 输入总功率：5 K W 3 8 0 V ，5 0 H z 。 要求系统应具有较完善的自诊断、故障报警和处理功月- q 匕f i ；具有试验起始点设置和停 止点保护及保存功能；当扭矩加载至最大额定负载的1 2 0 或被测工件断裂时，应提供 相应的保护措施，包括自动停止电机，关闭伺服单元。人机交互界面上实时显示实测的 扭矩数据和曲线及其他相关数据，能够随时打印扭矩曲线并同时自动存储扭矩值。 2 2 系统总体设计 2 2 1 系统方案论证 由系统技术要求可知，该系统主要包括控制部分、信号采集部分、数据存储部分、 4 硕士论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 打印部分和异常处理这五大块，如图2 2 1 所示。这里，只讨论控制部分、信号采集部 分和异常处理部分，至于数据存储部分和打印部分将会在后面的软件设计中讲述。 图2 2 1 系统功能组成 在控制部分方面，主要体现在控制器和控制方案的选择上。 在控制器选择上，现有两种方案：( 1 ) 采用单片机系统模式。( 2 ) 采用工控机系统模 式。由于疲劳试验机的工作周期长，需要处理记录数据量大，精度要求高，而受单片机 字长和工作频率的限制，8 位、1 6 位单片机的数据处理能力有限，无法承受在进行大量 数据的输入输出的同时，还要进行数据计算与显示，并且单片机的各类接口有限，需要 外部扩展，这给单片机系统设计带来难度，增加了成本。所以，采用单片机系统模式的 扭转疲劳试验机功能不强，使用不方便。所以决定采用工控机系统模式。 在控制方案上，根据要求，扭转疲劳试验需要实现扭转电机的变频调速和正反转功 能且不能超过允许的误差范围，耐水性试验只要求完成泥浆泵电机的定时启动停止功 能，滑动试验只要求完成滑动电机的启动停止功能。所以扭转疲劳试验使用交流永磁同 步电机，耐水性试验和滑动试验使用普通电机。由于A C L 一8 4 5 4 是一款通用定时器计数 器及数字量I O 卡，它内部的8 2 C 5 4 定时器计数器芯片可以用来进行频率测量与脉冲 输出，适合实现扭转电机的变频调速。亦可发出高低电平，配合相应的接口电路，可用 于控制扭转电机的转向和普通电机的启动和停止。此外，它提供了8 路数字量输出与最 多1 6 路数字量输入，完全符合本系统设计的要求。扭转电机的驱动器采用的是S A 系 列数字式交流永磁同步电机伺服驱动单元，它采用了国际上先进的D S P 芯片对电机的 位置、转速、转矩进行数字化智能控制。可通过设置其脉冲当量来决定扭转电机旋转一 圈所需的脉冲个数，故其精确性高。该伺服驱动器不仅可靠性高、性能优异，而且可以 通过设定用户参数来设置系统控制类型。例如：可以组成位置控制系统、速度控制系统、 转矩控制系统，所以本系统采用了A C L 一8 4 5 4 板卡和S A 系列数字式交流永磁同步电机 伺服驱动单元来组成系统的控制部分【1o 】【1 1 】【1 2 】。 在信号采集方面，主要体现在扭矩传感器和采集方案的选择上。在扭矩传感器的选 5 2 系统技术要求和总体设计硕士论文 择上，有两种方案：( 1 ) 传统的转矩传感器。( 2 ) J N 3 3 8 智能数字式转矩转速传感器。由 于传统的转矩传感器通常采用电阻应变电桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合电 源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于摩擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发 热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，而且由于接触不可靠，也不 可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此，如何在旋转轴上进行能源及信号 的可靠耦合己成为转矩传感器最棘手的问题。而J N 3 3 8 传感器采用两组特殊环形旋转变 压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号 可靠的在旋转部分与静止部分之间的传递问题。此外，该传感器还可以同时实现旋转轴 转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率。因此，该传感器可以实现转矩、转速及 轴功率的多参数输出。故决定采用第二种方案【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。 在扭矩信号采集上，有两种方案：( 1 ) 可以先利用A C L 8 4 5 4 板卡的频率测量功能 对频率信号进行采集，输入至P C 机后再进行扭矩转换；( 2 ) 可以先利用F 转换器将 采集的频率信号转换为电压信号，再通过P C L 8 1 2 P G 卡进行A D 转换输入至P C 机中， 最后再进行扭矩转换。前者简单，但由于频率易受干扰，故精度不高；后者复杂，成本 也高，但由于采集的是电压信号，不易受干扰，故精度高。经过比较论证后，决定采用 后者【1 2 】【1 7 】【阍。 在异常处理方面，可通过采集的扭矩值进行判断处理。当扭矩值突然迅速下降并且 小于当前最大输出扭矩值的0 5 倍时，即认为工件已断裂。为避免出现误动作，可规定 当连续1 0 个采样周期中采得的扭矩值均小于最大输出扭矩的O 5 倍时，才认为工件断 裂。当扭矩值达到最大额定负载的1 2 倍时，则认为工件超载。在这两种情况下，都应 关闭所有电机和伺服驱动单元，并发出报警信号。 终上所述，本系统采用了台湾研华公司的工控机；控制电机方面采用的是凌华 A C L 8 4 5 4 多功能定时器计数器及数字量F O 卡和北京凯奇拖动控制系统公司的S A 系 列交流伺服驱动单元；信号采集方面采用了J N 3 3 8 智能数字式转矩转速传感器、F 转 换器和研祥公司的P C L 8 1 2 P G 卡。针对工控机的工作环境，购置电气控制柜一台，使 整个系统装在控制柜中，可保护系统。 在熟悉了对板卡与伺服单元的操作后，充分利用以上硬件条件的基础，依靠软件对 整个试验台进行设计开发，使整个系统满足疲劳试验台应该达到的技术指标，给操作者 带来方便。 2 2 2 系统设计框图 本系统主要用于汽车转向传动轴的疲劳寿命试验，可根据不同的工件类型进行多种 参数设定( 例如扭转速度，扭转角度和扭转次数等) ，以保证试验准确运行，当系统出现 拉力过大等异常情况时，可自动保护系统及工件，并立即提示出具体的报警情况。实验 6 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 中，操作人员可以在任何时候打印当前显示的扭矩波形，并在打印的同时将当前显示的 扭矩数据存入数据库；完成试验后，可以根据工件编号查询、处理存储的数据，使整个 试验过程自动进行。该系统包括扭转试验系统、滑动试验系统、扭矩加载系统、耐水性 试验系统。系统结构如图2 2 2 所示，系统设计总框图如图2 2 3 所示： 脉冲控 制输出 攀肾 驱动广 电机 放大II 器II 爿矩信! ! 娅帅 出觚瞰架喷头尾座 邸隔l 高 、网隔 图2 2 2 系统结构图 图2 2 3 系统设计总框图 1 扭转试验系统 该系统用来控制工件的扭转角度、扭转速度和扭转次数，并对发生的异常情况进行 处理，譬如工件的断裂。它主要由一个伺服驱动放大器、扭转电机、尾座、固定支架、 万向节及飞轮组组成。 将工件的一端安装在与扭转电机输出端相连的转矩转速传感器的连接器上。工件的 另一端根据试验的要求固定在尾座的输入端或固定在支架上，移动台面的平板及固定 板，可分别改变台面的长度和传动轴的安装角度。 该系统根据试验要求，分别具有两种安装及加载形式：( 1 ) 当工件的另一端固定在 尾座上时，由扭转电机提供士1 8 0 。的摆动角度，扭矩加载系统提供负载扭矩，通过调整 扭矩加载系统可以改变负载扭矩大小。( 2 ) 当工件的另端固定在固定支架上时，由于 一端固定不动，则由连接另一端的扭转电机提供交变扭矩。其偏转的角度由工件的刚度 及扭矩的大小决定。 7 2 系统技术要求和总体设计硕士论文 2 滑动试验系统 该系统用来控制工件滑动。它主要由普通电机、减速箱，曲柄连杆机构、滑台及滑 动轨道组成。 由滑动电机产生驱动力，通过减速箱和曲柄连杆机构，将安装在滑动轨道上的滑台 来回移动。从而使固定在滑台上的尾座( 或固定支架) 带动传动轴以6 0 次分的速度来回 移动。根据试验要求可调整曲柄连杆机构上滑块距中心的距离，来满足不同的滑动距离 要求。根据要求，其滑动距离为0 - - 3 0 m m 。 3 扭矩加载系统 该系统用来给工件加载扭矩，当加载扭矩的位置和大小不同时，试验中显示的波 形也不同。它主要由力臂及固定支架组成。 工件的另一端连接在固定支架上，传向轴套固定在中间支架上，工件的另一端与力 臂的一端相连，力臂的另一端连接在电机连杆上。通过传动杆的来回移动，力臂的另一 端的工件受到径向加载力，加载力的大小由调整径向夹具弹簧的伸缩程度来完成。为保 证换向的频率，采用变速箱来带动工件进行转动。设计了一套夹具安装在工件的两端。 实践证明，该夹具对消除间隙、减少振动以及保证正常加载是有效的、实用的。 4 耐水性试验系统 该系统用来控制工件的注水量和注水周期，模拟汽车在雨天工作的情况。它主要 由泥浆泵电机、水箱、阀门、喷头、喷头支架及接水盘等组成。 调整喷水支架上的滑动支板位置，使接水盘位于工件需喷水部位合适的位置，将 喷头接到需喷水的地方，驱动泥浆泵电机，给工件注水。 2 2 3 系统工作原理 在扭矩信号采集上，工件转动时产生的转矩由转矩传感器J N 3 8 8 获得，转矩传感器 输出的是与负载扭矩成正比的频率信号，通过F 转换器将频率信号转换为电压信号。 此时，信号为模拟信号，再通过P C L 8 1 2 P G 的A D 转换功能将模拟值转换为数字值， 读入工控机中，经过一系列算法运算后，再在界面上显示其扭矩值和波形。同时根据采 集到的扭矩值判断工件是否处于异常或损坏。当扭矩值大于额定值的1 2 倍时，就可判 定工件处于异常状态；当扭矩值急剧下降且小于当前最大输出扭矩值的O 5 倍时，就可 认为工件已经损坏。在这两种情况下，必须停止电机，以保护系统及工件，并立即提示 出具体的报警情况。 在对扭转电机的控制上，是通过软件实现的，控制器根据输入的扭转角度和扭转速 度计算出适当的控制量，并将其送至A C L 8 4 5 4 板卡，通过板卡的一个通道输出相应的 脉冲方波，经由伺服放大器转换为标准电流输入到扭转电机，驱动扭转电机按照要求的 速度转动，达到控制的目的。在转向控制上，可通过板卡上的一个数字输出通道输出高 8 硕士论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 低电平来控制。 在对滑动电机和泥浆泵电机控制中，控制器通过A C L - 8 4 5 4 板卡上的数字输出通道 输出控制信号，使继电器闭合或松开，进而控制电机运行或停止。在对泥浆泵电机控制 时，可以设置运行次数和停止次数，模拟汽车在雨天行驶时的情况。 当3 个电机同时工作时，它们之间相互作用、互相配合，模拟出汽车实际行驶过程 中方向盘传动轴承受到的冲击应力和其他实际情况，相当于对汽车方向盘传动轴进行疲 劳测试。 2 3 本章小结 本章首先介绍了系统的技术要求和需要实现的功能；然后根据要实现的功能和技术 要求提出、论证并最终确定了设计方案；最后提出了系统设计框图并对其工作原理进行 了详细的阐述。 9 3 系统硬件设计 硕士论文 3 系统硬件设计 疲劳试验机的硬件系统是整个电气控制系统的重要组成部分，由它进行电机控制、 电机驱动、数据采集等，完成技术指标中所规定的工作。重点在于选定器件之后，要使 整个系统协调起来，不易受外界干扰，能够正常工作。第一部分主要讲述扭矩信号的采 集，包括转矩转速传感器J N 3 8 8 、F V 转换器、P C L 8 1 2 P G 模数转换卡；第二部分讲述 电机的控制部分，详细介绍A C L 8 4 5 4 板卡；第三部分介绍电机的驱动部分，详细介绍 S A 系列交流伺服驱动单元；第四部分介绍接口电路。 3 1 扭矩信号的采集 主要包括扭矩信号的采集、信号形式的转换和A D 转换部分。先由转矩转速传感 器采集扭矩信号，此时的信号为频率信号；而F 转换器是一种频率到电压的变换器， 通过它可将扭矩信号由频率形式转换为电压形式；最后再由P C L 8 1 2 P G 的A D 转换模 块将电压信号由模拟形式转为数字形式。如图3 1 1 所示。 图3 1 1 扭矩信号的采集示意图 3 1 1 转矩转速传感器J N 3 8 8 1 3 】 传感器是控制系统的关键环节之一，它处于被控对象和控制系统的中间位置，也 就是在扭转电机和传动轴之间。本设计中用来采集试验台上转轴的转动扭矩，它的性能 直接影响控制系统的精度和稳定性。因此，传感器应具有良好的稳定性、高分辨率和灵 敏度，并且应具有较强的抗干扰能力。 J N 3 3 8 转矩转速传感器采用一只5 脚的航空插座做电源输入及转矩转速信号输出， 插座外型及引脚排列如图3 1 2 所示，各引脚功能说明如下： 1 脚：正负1 5 V 电源接地端； 2 脚：+ 1 5 V 电源端； 3 脚：一1 5 V 电源端； 4 脚：转速信号输出端； 5 脚：转矩信号输出端； 1 0 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 图3 1 2J N 3 3 8 插座引脚排列 其主要特性如下： ( 1 ) 检测手段为应变电测技术； ( 2 ) 测量精度高，信号处理采用数字技术； ( 3 ) 抗干扰能力强； ( 4 ) 可靠性强、信噪比高，工作寿命长； ( 5 ) 既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩： ( 6 ) 能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态扭矩； ( 7 ) 无需反复调零即可连续测量正反转矩； ( 8 ) 无集流环、电刷等磨损件，可高速超常运行； ( 9 ) 转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关； ( 1 0 ) 测量弹性体强度大，可承受1 5 0 过载； ( 1 1 ) 体积小、重量轻、安装方便，有套装式、卡装式、连轴式等多种安装方式； ( 1 2 ) 输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。 其信号输出形式如下： ( 1 ) 零转矩：10 k H z a ：5 0 H z ： ( 2 ) 正向旋转满量程：15 k H z a ：5 0 H z ； ( 3 ) 反向旋转满量程：5 k H z - L 5 0 H z ： ( 4 ) 信号幅值：5 V + 5 V ； ( 5 ) 负载电流：4 0 m A 。 在有效的量程范围内，传感器的转矩频率输出与对应的转矩值基本上成线性关系。 实际应用中，如果测量准确度要求不超过标称值，一般不需要通过逐段参数标定来完成 计算。在转化为扭矩值时，需根据电压值与要求的扭矩范围计算，计算方法会在软件部 分的数据采集中介绍。 其工作原理是：J N 3 8 8 在旋转轴上安装着6 0 条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安 装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，当测速轮的每一个齿尖将 发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线不被齿尖挡住时， 光敏三极管就输出一个低电平，这样旋转轴每转一圈就可得到6 0 个脉冲，因此，可根 据其脉冲数算出其频率值。再由公式3 1 1 和公式3 1 2 算出其转矩值。 3 系统硬件设计 硕士论文 正向转矩输出值：M p = N ( f f o ) ( f p f o ) 反向转矩输出值：M r = N ( f of ) ( f o f r ) 其中：M p ：正向转矩；M r ：反向转矩：N 率( k H z ) if r ：反向满量程输出频率值( k H z ) ； 出频率值( k - I z ) 。 ( 3 1 1 ) ( 3 12 ) 转矩满量程：f p ：正向满量程输出频 实测转矩输出频率值；f o ：转矩零点输 连接时只需将5 脚与F 厂v 转换器输入端的1 引脚连接即可，F 转换器输出端的3 引脚即为转换后的电压信号。连线如图313 所示。 此外，在安装使用时还要注意以下几点：( 1 ) 应使用两组联轴器将传感器安装在动 力源和负载之间，即工件与电机旋转轴之间：( 2 ) 要使用绕性、弹性或方向联轴器，以 保证同心度小于01 ；( 3 ) 动力及负载必须固定住以避免振动：( 4 ) 要将传感器的基座与 设各的基座固定牢靠，中心高度需调节合适，并应避免产生附加转矩。 图3 13F f v 转换器与J N 3 3 9 的连接图 3 1 2F V 转换器 其外观如图3 1 4 所示 图3 14F V 转换器外观 号 硕士论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 其特性如下： ( 1 ) 供电电压：i ：1 2 V ，误差正负O 4 V ； ( 2 ) 转换精度：0 1 级； ( 3 ) 信号输入：光电隔离，同J N 3 3 8 传感器配套使用： ( 4 ) 信号输出：0 5 v ，0 - 1 0 V ，正负5 V ，正负1 0 V 任选。 ( 5 ) 响应时间： 2 m m 2 子连接 注意事项：( 1 ) 接地：接地线要尽可能粗一点，驱动器与伺服电机在F G 端子一点接 地，接地电阻要小于1 0 0 f 2 ；( 2 ) 要由三相隔离变压器供电，避免造成人身伤害：( 3 ) 电 源要经过噪声滤波器供电，这样可以提高抗干扰能力；( 4 ) 安装了非熔断型( N F B ) 断路 器，驱动器故障时能及时切断外部电源。 3 3 2 控制方式的选择及其连线 由于本系统中需要控制电机旋转的角度。从伺服单元的方面来说，实现这个功能就 要使用伺服单元的位置控制方式，如图3 - 3 3 所示。 位置调节速度环 图3 3 3 位置环控制框图 在这里按照端口一介绍的功能将控制信号输入输出端子C N l 所列出的端子号进行 连线，并与A C L 8 4 5 4 板卡的端口相连。板卡的端子号与C N l 的端子号是对应的，这 样计算机能够发出指令给伺服单元，如发出指令脉冲P L U S 输入信号、指令脉冲S I G N 输入信号、伺服使能信号等，同时也能够接收到伺服单元发出的消息，如接收伺服准备 好输出信号、伺服报警输出、输入信号等。如图3 3 4 所示。 2 l 3 系统硬件设计 硕士论文 图3 3 4 位置环控制连接图 3 3 3 脉冲指令形式的选择及其连线 作为位置指令的脉冲串，可以是下面的任一种，在伺服驱动器侧可以通过设定用 户常数进行选择：( 1 ) 符号位+ 脉冲列；( 2 ) 正转脉冲序列+ 反转脉冲序列：( 3 ) 具有9 0 0 相位差的两脉冲序列。如表3 3 5 所示。 在本次设计中使用的是第一种位置指令脉冲串。符号位代表电机的转动方向，脉冲 列代表电机的转动速度和转动角度。在板卡的设置中对脉冲列与符号位指令都设置了相 应的端口，用于控制扭转电机的转动方向和转动速度、转动角度。而在软件编程中需要 对此两指令进行设置，用板卡指令中的分频数来控制脉冲列指令的频率，进而控制扭转 电机的转动速度；在指定时间内发出符号位指令来控制扭转电机的转动方向。连接方法 如图3 3 6 所示。 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 表3 3 5 脉冲指令形式 脉冲指令形式 C C WC W 参数设定值 脉冲列P U L S 门：门门：门门：门门门 D 指令脉冲+ 符号 符号S I G N C C W 脉冲列P U L S 几门门门 1 l ” C C W 脉；中J C C W 脉 C W 脉冲罗u S I O N 门们门n 冲 A 相脉冲列 P U L SnF7 几 2 2 相指令脉冲 B 相脉冲列 S I O N 、于七厂 伺服驱动器 图3 3 6 位置指令脉冲串控制连接图 3 3 4 伺服单元的脉冲当量 脉冲当量可以决定上位机根据输入的参数要求( 角度、速度) 需要发送的脉冲个数和 脉冲频率。由于电机每转一圈需要的脉冲数为2 5 0 0 x ( 4 倍频) 个，如果要使电机旋转O 5 圈，则上位机就必须发出2 5 0 0 4 x 0 5 = 5 0 0 0 个指令脉冲。若要求电机以2 次秒的速度 旋转( 转O 5 圈为一次) ，则脉冲频率为5 0 0 0 x 2 = 1 0 K H z 。上位机编程时需要作上述的计 算。 3 3 5 伺服单元输入输出电路的规则 伺服驱动器不直接与板卡相连，而是通过接口电路后才连接的。其中接口电路的设 计是按照伺服单元输入输出规则设计的。 1 开关量输入信号( T y p e l ) 3 系统硬件设计硕士论文 图3 3 7 开关量输入接口 如图3 3 7 所示，此信号是从外界输入到交流伺服单元的，比如工控机发出的伺服 使能信号、报警复位信号，位置环准备好信号等输入信号，都要通过开关量输入接口之 后实现与伺服单元的通信。它要求：( 1 ) 需要外部直流电源，D C l 2 2 4 V ，电流1 0 0 m A ； ( 2 ) 外部触点容量要求：大于3 0 V ，大于1 6 m A ；( 3 ) 要使输入信号有效，外部触点必须 持续导通或关闭2 0 毫秒以上。 2 开关量输出接口( T y p e 2 ) 图3 3 8 开关量输出接口 如图3 3 8 ，此信号是由交流伺服驱动器中的一个集电极开路的光电耦合器向外输 出的，比如伺服准备好输出，伺服报警输出等输出信号。 设计中安装了外部电源，但是值得注意的是，如果电源的极性接反，会损坏伺服驱 动单元。如果负载是继电器等电感性负载，必须在负载两端反并联续流二极管。 它要求：( 1 ) 额定电压：小于3 0 V D C ；( 2 ) 输出电流：小于4 0 m A D C ；( 3 ) 饱和电压： 小于等于1 5 V ( I c = 4 0 m A ) 。开关量输出信号的负载必须满足这个限定要求，如果超过限 定要求或输出直接与电源连接，伺服驱动单元就会报警。 3 位置指令脉冲输入接口( T y p e 3 ) 如图3 3 9 所示，此信号是卣上位机输入到伺服驱动单元的，主要是指令脉冲信号 P U L S 和指令脉冲符号信号S I G N 。伺服驱动单元内部采用高速光电耦合器接收，输入 电流为7 1 5 m A 。 2 4 硕士论文 扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 图3 3 9 位置指令脉冲输入接口 3 3 6 伺服单元的运行时序 在本设计中，启动伺服单元工作时，要注意伺服单元的运行时序。编写程序时的 顺序必须按照此运行时序进行编写，这一点将会在后面的软件部分进行详细的介绍。首 先将所需要的端子与板卡进行连接，然后按照以下运行时序工作： l 接通空气开关，控制电源接通，伺服系统控制电路开始工作。此时如果没有故障，伺 服系统输出伺服驱动器无报警信号；如果出现故障，伺服系统输出伺服驱动器有报警信 号并在显示器上显示。此时，伺服系统只接收报警复位信号A L R S 。 2 接通位置环准备好信号P R D Y ( 即输入信号U 1 1 ) ，伺服系统接收到U 1 1 信号后，接通 内部的充电继电器，三相交流电源通过伺服系统内部的充电电阻为储能电容充电，1 秒 后伺服系统内部的主继电器吸合，能耗制动继电器打开，完成主电路上电过程，伺服准 备好信号S R D Y 输出为O N 。 3 伺服准备好信号( S R D Y ) 输出为O N 后，可以接收伺服使能( S O N ) 信号，此时如果伺服 使能S O N 为O N ，则电机被激励，系统处于运行状态。如果伺服使能信号断开或有系 统报警，则电机处于自由状态。其时序图如图3 3 1 0 所示。 由于在工作过程中遇到电机转速过大、主电路过压、电机过热、位置超差等问题时， 伺服单元都会发出伺服报警，伺服单元就会停止电机的工作，并把报警信号传给主机， 在运行的界面中会弹出对话框，提醒操作者。这样就会及时的保护电机、伺服电路不会 受到破坏。 3 系统硬件设计硕士论文 控制电源接通 伺服报警输出 位置环准备好信号P R D Y 伺服准备好信号S R D Y 伺服使能S O N 伺服电机激励 3 4 接口电路设计【2 1 】【2 2 】 图3 3 1 0 电源接通时序图 目前广泛采用光电隔离技术来消除强电控制电路对微机系统产生的干扰，将光电耦 合器接在微机和强电控制电路之间，光电耦合器通过光耦合使输入和输出侧在电气上完 全隔离，避免了被控设备对微机产生干扰，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。在本设 计中，被控对象是强电设备，负载功率较大，因此系统必须具有将计算机输出的低电压 或小电流转换成高电压或大电流信号的装置。设计中光电隔离电路完成的就是这个作 用。 伺服驱动器发送的伺服准备好信号、伺服报警信号都要通过此电路输入至板卡。J 1 为板卡输入端，J 2 为伺服输出端。如图3 4 1 。 图3 4 1 光耦电路1 板卡发出的频率脉冲方波、脉冲方向信号都要通过此类电路输入至伺服驱动器中。 J 1 为板卡输出端，J 2 为伺服输入端。如图3 4 2 。 硕士论文扭转疲劳试验机电气控制系统的设计 图3 4 2 光耦电路2 在本设计中，继电器电路是用来控制移位电机与泥浆泵电机的导通与断开的，同 时主机发出的伺服使能、报警复位等信号都要通过继电器电路输入伺服单元