[NI技术资料]动力传输和运动控制

1、£7 NATIONAL了 INSTRUMENTS8/7美国国家仪器公司最的新的软件和驱动界面接口使得在LabVIEW内进行动作运动控制的编 程更加简单和实用。NI技术资料动力传输和运动控制"LabVIEW的优点在于其拥有高度抽象的图形开发界面，在开发自动化应 用时，该界面隐藏了 许多编程细节（虽然用户也可以深入研究 这些细节）°NI的最新技术扩展使LabVIEW成为了更加实用的真实世 界的自动化环境，它 包含一个新的运动控制模块，新的伺服驱 动器和步进驱动器，以及许多可编程自动化控制器。"-Alan Brown, National Instruments

2、The Challenge:混合动力车和冷却塔 的动力系统的共同之处在哪里？ Baldor电气公司指出，两者的共同点在于传动系统和控制器。混合动力车将永 磁直接驱动电机与变速控制器连接了起 来。现在Baldor公司也将类似系统应用于冷却塔风机。The Solution:Baldor公司新推出的RPM AC冷却塔电机和 VS1CTD变速控制器专为上述应用而 开发。该公司称，与类似感应电机相比,由层压钢翅片框架结 构，和高强度永磁体构成的电机具有更好的功率密度、转矩（尤其在部分负载 时）及效率。Author (s):Alan Brown - National Instruments从混合动力车到冷

3、却塔混合动力车和冷却塔的动力系统的共同之处在哪里？来。现在Baldor公司也将类似系统应用于冷却塔风机。Baldor电气公司指出，两者的共同点在于传动系统和控制器。混合动力车将永磁直接驱动电机与变速控制器连接了起Baldor公司新推出的RPM AC冷却塔电机和 VS1CTD变速控 制器专为上述应用而 开发。该公司称，与类似感应电机相比，由层压钢翅片框架结 构和高强度永磁体构成的电机具有更好的功率密度、转矩及效率。Baldor公司使用了变速控制器以更低的速度来操作电机。这正是永磁电机的优势所在，因为作为同步运转的永磁电机可以在非常精确的部分转速下达到恒定转矩。这在能耗方面会造成 很大的差别。尽管

4、冷却塔设计用于最坏的 情况，然而风机的运 行通常很慢。 的功率仅为正常转 速操作电机所消耗功 率的1/8。由于电机的输入功率随电机转速的立方变化，以一半转速操作电机消耗我们可以对RPM AC永磁电机和VS1CTD控制器进行快速地调 谐，使之进入工作状 态。另外,控制器带 有图形键盘，可以引 导用户进行设置和维 护诊断。尽管永磁电机比感应 远来看，该系统是电机要贵很多，Baldor公司认为该系统还是很经济的。由于它使用一个电子控制器就代替了 齿轮、传动轴以及其它传动部件，同时还降低了能耗，因此从长更加经济的。使用混合燃料提高效威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员称，将柴油和汽油混合使 用能够改善柴油

5、机的燃油效率平均约 20% ,同时可以达到美国政府有关气体 排放的法令，无需昂 贵的污染控制设备。尽管快速响应的燃料混合技术需要对柴油机进行修改，并需要分别盛装柴油和汽油的独立燃油箱，但现 在柴油机直接使用泵 内的燃料。一位领导该研究的机械工程师RoflReitz认为，该技术同样可以应用在汽油机上。Reitz估计，如 果所有内燃机车都使用双燃料电机，能效将达到53%,这样的话美国将可以节省1/3的运输用油，或每天节约近400万桶燃油。工业界明显正在关注该研究。能源部和威斯康星大学的柴油机减排联盟拥有24个工业合作伙伴，他们正在支持Reitz的研究。燃料混合的快速响应柴油可以点燃汽油。需要在发动

6、机的燃烧室内完成。通常情况下，汽油无法在柴油 机内燃烧，因为它的反应性比柴油差。但当Reitz将两种燃料一起喷入燃烧室时,该混合技术将柴油与汽油的混合比与运行条件相匹配。在高负载下，比如加速或爬 山，混合燃料内汽油的比例可能达到85% 。而在较轻负 载条件下，汽油比例 可以P到50% 。据Reitz所说，使用混合燃料时， 柴油发动机温度降低了40%这就降低了由于热传输造成的能源损失。此外，控制柴油和汽油的比例不仅改善了燃烧效率，而且减少了废气排放。实际上，该技术使卡车可以满足环境保护署有关颗粒物和氮氧化合物的强制排放水平，而无需购买昂贵的催化还原或废气再循环设备。Reitz使用了计算机模型研究

7、混合方案。这使得他可以在使用卡特彼勒重型柴油机进行试验前，对动力方案进行数千次模拟及优化。测试证实了模型的预测效果。最好的测试热效率 达到了 53%，比传统柴油机高20%。事实上，该 比例比商用发动机（用于海运的涡轮增 压二冲程柴油机）的 金质标准还高。"更令人关注的是，该混合方案同样适用于车用汽油发动机，这种发动机的平均热 效率更低，只有 25%," Reitz说，"因此，汽油发动机燃油经济性的改善潜力比 柴油卡车发动机更大。" 更简单的多轴应用一些使用LabVIEW软件 的新产品旨在让复杂制造系统的设计和控制更简单。23年前，美国国家仪器公 司（NI

8、）发布了 LabV丘W ,旨在让PC机可以进行 复杂的科学和工程测量。现在它已经转变 为通用软件，可以定 义I/O,可以进行 测量，并且可以在单 一开发环境中建立并执行控制系统。LabV丘W的优点在于其拥有高度抽象的图形开发界面，在开发自动化应用时，该界面隐藏了许多编程细节。NI的最新技术扩展使LabV丘W成为了更加实用的真实世界的自动化环境，它包含一个新的运动控制模块，新的伺服驱动器和步进驱动器，以及许多可编程自动化控制器。LabVIEW NI SoftMotion模块简化了高级单轴和多轴运动控制，允许用户通过基于开源PLCopen动作控制库的功能模块访问强大的运动规划图。PLCopen函数

9、包括直线运动、弧线运动、轮廓运动以及电子齿轮和凸轮传动。SoftMotion界面还提供了比如轨迹生成、样条插值以及位置和速度控制等强大功能。SoftMotion还可以让工程师使用 SoftMotion运动规划图对在 SolidWorks 3D CAD 中创建的设计进行仿真。NI新的C系列驱动接口模块可以让LabVIEW用户将数百个NI或第三方驱动器和电机引入模块（双编码器）与伺服驱动器和电机相连。由于驱动器通常是密集处理型，所有三个运动系统。NI 9512模块与步进 驱动器和电机相连，模块实行板上处理从而释放控制器的主处理器。而NI 9514模块（单编码器）和NI 9516NI新的自动化平台9

10、144具有确定性的第三个核心部分就的以太网扩展机箱，是其CompactRIO系列可重新配置、可可以串连CompactRIO 和其它NI工业级控编程的自动化控制器。CompactRIO 使用嵌入式芯片实现 制器以创建分布式运动应用。该公司同时 推出了一款独立高速度和高可靠性。新增的NICompactRIO 工业控制器。适用于低碳发动机的润滑油许多国家都在考虑规范车辆的碳排放。 那就是使用高级润滑油。降低碳排放有许多方法，包括使用混合动力车、充电式电动汽车、柴油机废气再循环以及减少排量。有一种技术人们很少讨论,英国工程研究顾问 题。该联盟将首先Ricardo plc正在组织创建一个联盟，该联盟由汽

11、车制造商、一级供应商、燃油及润滑油添加剂制造商以及政府机构组成,旨在解决一些润滑剂方面的难关注废气再循环产生的碳烟问题、下一代发动机，超低粘度润滑剂、润滑剂对排放 的影响以及未来发动机的后处理性能。废气再循环系统将 及制造润滑膜间隙排放的气体循环至发 （会产生热斑）从而动机，从而降低氮氧 磨损设备。目前尚不化物的排放。但这会清楚何种条件为磨损产生碳烟，并最终停留在发动机的润滑剂内。碳烟会造成摩擦、吸收润滑添加剂以的主因。现在废气再循环系统 常具有更小的碳足从而有助于化学家制仅使用在高负载柴油 迹，同时会产生更多造出可以在各种条件机上。但形势可能会 的氮氧化物。废气再下处理碳烟的润滑发生改变，工

12、程师正在尝试在不减少动力循环是一种控制NO氮氧化物排放的方法。的情况下而缩减汽油机的尺寸。由于更小，更热的发动机通Ricardo计划照射发动机部件并测量放射性磨损颗粒以掌握磨损机理，x剂。生物燃料，特别是生 软金属表面，并将物柴油（在欧洲广泛 铅、锡、以及铜从轴应用），可能会被氧 承钢合金中浸出。乙化并形成黏胶和沉积物，从而改变润滑油 醇会增加润滑剂的水溶性或氧化从而形成的粘度。该燃料还含 有活性化学成分，会 导致密封变脆，腐蚀腐蚀性化学物质。Ricardo的项目将关注润滑剂如何帮助电机经受这些挑战。化学家们长期以来一直寻求平衡粘度和润滑性的方法。尽管高粘性润滑剂可以形成牢固的低摩擦膜，但是发

13、动机必须消耗更多能量来克服其粘性，这会导致附加功 率损失。Ricardo正致力于新的超低粘度润滑剂的研究。润滑剂的研发可能依赖于发动机的重新设计，采用滚动接触替代滑动接触，并在运动部件上采用类金刚石碳和其它超光滑表面涂层。Craig Goodfellow 负责指导Ricardo的燃料和润滑剂项目，他说：润滑剂的其它改进也可能需要重新设计发动机；在过去，发动机和燃料的开发促进了润滑剂的改进。Goodfellow认为，润滑剂的进一步改进可能需要更加综合的方法，而这正是该联盟希望证实的。改善风机可靠性的系统方法多年以来，工业界要求提高效率的呼声不 在叶轮表面不均匀沉积，从而使其失去断。这就意味着,

14、平衡。风机需要在更高的温度下运行。风机通常在高速和低径向负载下运行，带动着含有颗粒的空气，这些空气会根据美国SKF公司提供的信息，提高发动机运行温度的措施会加热轴承、降低轴承润滑油寿命以及引 起轴承故障，从而导致计划外的风机故障停车和生产损失。因此,SKF称其每天至少接到一个热相关的风扇故障紧急电话 就不足为奇了。现在SKF已经启动 优化的轴承、外壳了一项升级服务， 和密封组成的工具称其可以延长轴承和润 包。滑剂的使用寿命,降低维护成本，以及改进工业风机的可持续性。此次升级结合了自动循环润滑系统和由公司估计润滑问题至少占全部轴承提前失 效原因的36%。SKF使用中央系统对系统的每个风扇输送精确数量的润滑齐I,同时避免过度润 滑。SKF公司的轴承工具包通常包括带轴承座外壳的自对准轴承，以及有助于改善散热效果的专用密封件。轴承座外壳计用于从轴承中吸取热量同时提供精确、高刚 度的支撑。在非定位位置，自对 准轴承使用公司的 度、减少振动以及 功耗，同时可支持更CARB环形滚子轴 高的风机转速。承，在定位位置，使用球形滚子轴承。环形轴承可以适应风机轴的热膨胀，并在工作中减少摩擦、降低温SKF还提供状态监控系统，包括用于警示可能发生轴承故障 的系统直至更高级的预测性维护系统。Author Informati