硕士学位论文
摘要
本文基于某研究所的“冷却风扇、液压泵-马达传动试验台系统”项目，对该试验台的电气传动系统和测控系统进行研究和设计。由冷却风扇、液压泵、液压马达等组成的液压驱动风扇冷却系统在工程机械上有着广泛的应用，其性能的好坏对系统的运行情况有重大的影响。该试验台系统依据某型号车辆上的温控液压驱动风扇冷却系统的原理进行设计，既能进行冷却系统性能测试，又可以进行液压部件测试。
动力驱动系统和加载系统是实现试验台功能的关键部分。文中首先对电气传动系统设计中采用异步电机交流变频调速拖动的方案以及内部电封闭技术的原因进行分析，然后对其在简化系统结构、提高系统的控制性能以及节能方面的效果进行了论述，最后对系统中配置的ACS800多传动模块的应用方案进行设计。试验过程中，驱动电机按电动机工况运行，作为试验台的动力源，而加载电机按发电机工况运行，用于试验台加载。整个系统采用公用直流母线的方式运行，驱动系统和加载系统组成电功率闭环，加载电机将产生的电能回馈到直流母线实现电能的循环利用，大大地减少了系统运行中的能量消耗。
本文在分析了试验台的使用需求和特点的基础上，设计了一个以工控机为核心的测控系统，实现了数据采集、处理和设备的协调控制的实时性。测控系统中配置了具有网络通讯功能的数据采集设备和合适的传感器实现了网络化数据采集和传输。 PLC作为现场控制器，用于状态量的检测和现场设备控制。文中着重分析了其软件设计和硬件设计。油温控制是测控系统的一个重要功能，文中介绍了其电气控制线路的设计。良好的人机交互界面有利于减轻工作人员的劳动强度和提高操控的准确性，文中结合人机工程学的原则，讨论了控制台的设计。
测控系统采用UPS作为供电电源，保证了电源的稳定和具有了掉电保护的功能。文中还详细分析了试验台存在的电磁干扰，并提出了相应的抗干扰措施。通过采取以上两个方面的措施，为系统的安全、可靠运行提供了保障。
系统调试使用结果表明，本文所做工作达到设计的要求，为试验项目的开展创造了良好的硬件条件。
关键词：电气传动；变频调速；测控系统；PLC；UPS；电磁干扰
冷却风扇液压泵马达传动试验台电气传动与测控系统研究
A b s t r a c t
This paper is based on the “cooling fan, hydraulic pressure pump-hydraulic pressure motor test bed system”project from a certain institute, and studies of design of the electric drive system and the measurement and control system of the test bed. Hydraulic drive fan cooling system, which is constituted by hydraulic pump, hydraulic motor, cooling fan and other equipments, is widely used in construction machinery. Its performance has important effect on the function of the machinery. This test bed is designed by the principle of the temperature control hydraulic drive fan cooling system of a certain kind of vehicle, and it can be used for the testing of the cooling system performance and hydraulic components.
The drive system and the loading system are important parts of the test bed. In the paper, it first gives out the reasons of applying the plan of asynchronous motor frequency conversion speed control drive and using the technology of electric power close ring, then analyzes the effects on simplifying the system configuration, enhancing the control property and saving energy, finally, completes the design of application plan with the ACS800 multi-drive module. In the process of a testing, the drive motor provides mechanical energy for the test bed, and the loading motors convert the mechanical energy into electric power. The electric drive systems run on the common DC bus, so the drive system and the loading system build up an electric power close ring. The electric power generated by the loading motors is feedback to the common DC bus, so that, recycle utilization of electric power is applied in this test bed and the power consumption is reduced greatly.
It analyzes the use requirements and the features of the test bed, designs a measurement and control system which uses industrial computer as main controller to complete data acquisition, processing and device control. Data acquisition devices with network communication port and proper sensors are configured in the test bed for data acquisition and transmission. PLC as the field controller is used for state information collection and field devices control. And its software design and hardware design are introduced in this paper. As the oil temperature control is an important function for the system, its electric control circuits is discussed. Because a good human-computer interactive interface can help to alleviate burden of users and enhance accuracy of operations, so the principle of human machine engineering is
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applied in the design of the console.
To providing safe and reliable operation for the test bed, the following measures are used. UPS is adopted in this measurement and control system, and provides stable power and power off protection for the system. Besides, Anti-interference measure is taken to solve the problem of electromagnetic interference in the test bed.
The using results of the test bed show that, the work in this paper creates a good condition for testing.
Key words: Electric Drive；Frequency Speed Control；Measurement and Control System；PLC；UPS；Electromagnetic Interference
湖南大学
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第1章绪论
1.1 课题来源及意义
本文源自某研究所委托湖南大学机械与汽车工程学院承担的“冷却风扇液压泵－马达传动试验台系统”研究课题，该项研究课题的目的是研制一个由冷却风扇、液压泵、液压马达组成的液压传动风扇冷却试验台系统，利用整套试验台系统实现冷却风扇、液压泵、液压马达系统的匹配试验，以及液压部件试验。
液压传动技术在工程中有重要的作用，液压泵、液压马达作为液压传动系统的主要能源装置和重要的执行装置，其性能好坏将直接影响整个系统的性能。液压驱动风扇冷却系统在工程机械和道路机械上具有广泛的应用，冷却系统性能的好坏将直接影响设备的性能以及系统的运行状况。因此本试验台系统的研制开发具有一定的工程意义和应用价值。
1.2试验台介绍
本试验台依据某型号车辆上的温控液压驱动风扇冷却系统的原理进行开发。试验台设计过程中，通过优化功能设计，使其既能进行液压驱动风扇冷却系统性能试验，又能进行液压部件型式试验。
1.2.1 温控液压驱动风扇冷却系统的组成、原理
该车载温控液压驱动风扇冷却系统的基本原理如图1.1所示。
图1.1 温控液压驱动风扇冷却系统
系统由温控溢流阀、变量柱塞液压泵、液压马达、冷却风扇等组成。系统工作原理为：发动机以固定不变的速度运转，并通过传动机构拖动液压泵给液压系统提供压力油，液压马达在压力油的驱动下带动冷却风扇以一定速度运转，从而实现对系统的冷却。当泵的排量不变时，冷却风扇的转速也不变，保持冷却的效
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果不变。温控溢流阀用于实现冷却系统的冷却效果随着被冷却系统的温度变化而相应改变，即当被冷却系统温度升高时，加强冷却效果，当被冷却系统温度降低时，减弱冷却效果。温控溢流阀检测被冷却系统的温度，随着温度的变化调整其溢流压力，从而改变变量泵的排量，实现冷却风扇转速的改变，也就使冷却效果随被冷却系统的温度变化而改变。
1.2.2 试验台功能及主要试验项目
根据试验台开发要求，冷却风扇、液压泵—马达传动试验台系统用于冷却风扇、液压泵、液压马达系统的性能匹配试验以及液压部件试验。试验台主要试验项目包括：
(1) 一泵带单马达风扇的开式系统试验及闭式系统试验；
(2) 一泵带双马达风扇的开式系统试验及闭式系统试验（仅一路为风扇加载）；
(3) 一泵带三马达风扇的开式系统试验及闭式系统试验（仅一路为风扇加载）；
(4) 系统发热量的测定试验（不包含辐射传热）；
(5) 液压系统总效率η试验；
η试验；
(6) 泵、马达的容积效率
v
η）试验；
(7) 泵、马达的转速特性（n~
v
η）试验；
(8) 泵、马达的温度特性（T~
v
(9) 温控阀的功能试验；
(10) 泵、马达的空载排量试验；
(11) 泵、马达可靠性试验；
(12) 马达启动力矩特性测定试验；
(13) 马达最低平稳转速试验；
(14) 马达超速特性试验；
(15) 泵超载特性试验；
以上试验项目中，液压泵、液压马达的试验需要依据国家标准规定的试验方法进行。
1.2.3 试验台总体方案
对整个试验台设计时，需要全面分析试验台系统所需进行的试验项目的特点，保证所构造的试验台能满足所有试验项目的要求。
液压系统是整个试验台的基础，它包括了液压泵、液压马达等需要测试的设备，以及实现不同试验所需要的油路。液压系统中还需要根据试验项目的要求在适当的地方布置合适的传感器。它为试验台系统能完成所有试验项目提供必要的试验条件，试验台的动力传动部分、测试控制部分等都是建立在它的基础上。本试验台的液压系统原理图见附录B。
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动力驱动系统是试验台的必要组成部分，它为试验台系统完成试验项目提供动力源。它用于驱动被测试液压泵工作，为液压系统提供一定功率的液压油，并且其转速需要根据具体的试验项目和试验方法进行调整，因此，它既是动力源又是被控设备。发动机和电动机是常用的驱动设备，相比较而言，电机调速系统调节方便，具有良好的调速性能。本试验台需要完成的部分试验，需要动力驱动系统具有良好的调速性能，因此，本试验台的驱动系统采取电气传动的方案。在电气传动系统中，变频调速具有优异的调速性能，并且异步电机具有结构简单，容易维护的特点，因此本试验台采用变频调速系统作为动力源。
加载系统是实现试验台功能的必要组成部分。无论是泵的性能试验，还是马达性能试验，抑或系统试验，都需要通过加载系统和驱动系统共同作用形成测试所需要的工况。而且加载设备在试验过程中需要按照试验方法进行调节，它的性能对试验项目的顺利完成有很大影响。目前负载设备中，应用比较多的有水力测功机、电涡流测功机、直流电力测功机和交流电力测功机这几类。其中，水力测功机和电涡流测功机属于功率吸收性测功设备，其吸收的能量一般转化为热能，虽然其结构简单，转矩调节也简单，但是需要庞大的冷却设备来转移热量。电力测功机则是属于功率传递型测功设备，其将传递到其上的能量转换为电能，然后通过负载电阻消耗或者整流逆变回馈电网，因此，测功机本体的发热不高，有利于提高测试效率。由于直流电机具有电刷的结构特点，使其维护不方便，因此本文采用交流电力测功机作为试验台的负载设备。
另外，普通异步电机的额定一般转速不高，对于本系统来说，因为马达的转速在0~6300r/min的范围内变化，如果采用异步电机，则必须在电机和马达之间增加减速机构。由于增加了减速机构，一方面，系统的设备数目增加，不利于维护，另一方面，增加的减速环节必然会带来能量损耗，不利于系统的测试效果，因此本试验台采用交流变频调速系统进行加载。通过采用变频电机，一方面减少了减速机构，另一方面，变频电机的转动惯量比普通电机小，因此，有利于加载动态性能的提高。
除此之外，由于驱动系统和加载系统都采用变频拖动的方案，驱动系统的电机工作于电动状态，加载系统的测功机工作与发电状态。因此可以在驱动系统和加载系统之间采用“内部电封闭”技术，使加载系统发出的能量供驱动系统使用。采用“内部电封闭”技术后，整个试验台的能量损耗主要由传动过程中的损耗造成，与其它方式相比，大大减少了试验过程中所需的电能。
试验的目的在于掌握系统的性能和特性。为达到试验的效果，一方面需要有效地控制试验过程，另一方面需要在试验过程中采集必要的有效的数据，对试验结果进行分析。因此，必须搭建一个测试系统完成试验过程的数据采集和过程控制。
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综合以上分析，本试验台的总体方案如图1.2所示。图1.3为该试验台系统的现场布局图。
图1.2.试验台总体结构图
图1.3 试验台现场布局图
1.3 本文主要研究内容
本文所做的工作包括以下几个方面：
(1) 分析了试验台对液压泵驱动和液压马达转矩加载的要求，进行了驱动系统和加载系统的设计。包括方案制定，电机以及电机控制设备的选型配置和应用设计。
(2) 根据试验台的使用要求，进行测控系统设计。包括：系统手动控制和自控控制的实现；针对信号的特点选择适当的传感器和采集设备进行数据采集；现场电气控制线路设计，现场设备的状态检测以及控制台设计。
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(3) 对测控系统进行电源配置以及系统抗干扰的实现。
1.4 液压CAT技术的发展与现状
液压计算机测试(Computer Aided Testing)技术是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、温度、流量、转速、扭矩等参数进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机紧密跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而以高速、高精度完成对液压产品的性能测试[1]。液压CAT是一门综合学科，所涉及范围包括液压、自动控制、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可靠性等。我国的液压CAT技术应用从20年代80年代开始，以1985年北京机床研究所等单位将单板计算机应用于电液伺服阀的静态特性测试为代表。液压CAT的应用模式，经历了下面四个阶段：
(1)常规二次仪表+单板机+汇编语言；
(2)常规二次仪表+专用接口+计算机+高级(或汇编语言) +输出设备；
(3)通用接口+微型机系统；
(4)兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。
从测试系统的功能看，有两种模式：
一是计算机对测试装置进行控制并完成测试过程数据采集、处理一体化的系统，如北京机械工业自动化研究所的液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统、上海交大和昆山液压件厂为武钢研制的新国际B级精度液压阀试验台的计算机辅助测试系统，华中理工大学液压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台CAT系统及电液伺服阀CAT系统等；
二是计算机不对测试装置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统，如北京理工大学的液压泵、液压马达、液压泵一液压马达传动系统工作特性的计算机辅助实验系统，广州机床研究所液压泵性能和噪声计算机实时监测系统等[1-2]。
目前，液压CAT逐渐与虚拟仪器技术结合。虚拟仪器技术可以方便用户通过计算机将应用程序与功能化硬件模块结合起来，使用户可以通过图像化的编程语言进行编程，完成对被测试量的采集、显示、处理和分析等。将虚拟仪器技术应用于液压CAT系统，系统设备量大大减少，测试功能完全由软件实现，加快了测试进程，降低了实验成本[3-4]。随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠性技术的发展，液压CAT技术也正在向着高速、高效、智能化、多功能化、多样化方向发展。
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1.5 电气传动技术发展现状
在电机调速系统中，按照驱动电机的电源区分，可以分为直流传动和交流传动。在20世纪上半叶，由于直流传动优异的动、静态调速性能，高性能调速传动系统都采用直流传动方式，约占电气传动总量80%以上。但是，随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，高性能交流调速技术得到迅速发展并打破了直流传动在高性能调速中的统治地位。一方面由于直流传动系统中，直流电机结构上的特点限制了它的容量和使用场合，另一方面交流传动技术日趋成熟，具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，其调速性能已经可以与直流拖动相媲美，因此现在交流传动已经成为了电气传动的主流。其中，异步电机传动技术中以变频调速技术效率最高、性能最好，因此是当前电气传动研究的主流[5-6]。
变频调速技术是有效节能的新技术。目前，变频器调速控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染、水泥、船舶、铁路等行业，应用面十分广阔。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。但是，由于我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家，至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定。电机控制方式决定了变频器的性能水平和应用范围、效果。国产变频器都停留在V/F控制方式，决定了国产变频器只在中低端市场，特别是在风机、泵类的调速应用市场为主，难以和进口品牌匹敌。在国内的变频器市场上，变频器技术对国外公司有很大的依赖性。国外的交流变频调速技术则由于其市场需求量大，功率器件技术的发展，控制理论和微电子技术的发展，相关配套产业完善，使其得到高速发展[7]。
由于高压大功率变频器有电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面的问题使对其开发存在很大的技术难度，因此，高压变频技术成为世界各大电气公司竞争的热点。目前国内诸多变频器生产厂家也在高压变频器领域投入大量的人力与物力，力求在高压变频器技术方面占领制高点。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决的硬、软件开发问题。其主要发展方向有如下几个方面：
(1)实现高水平的控制。在基于电动机和负载模型的控制策略方面，有磁场控制、直接转矩控制等；在基于现代理论的控制策略方面，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观测器，最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、
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神经元网络、专家系统等。
(2)开发清洁电能变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
(3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。
(4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持[8-10]。
1.6本文主要内容及各章节安排
本文从“冷却风扇、液压泵—马达传动试验台系统”的设计要求出发，结合本人开发实践心得，对试验台系统电气传动和测控系统的设计开发进行阐述。
第一章绪论首先简单介绍了课题来源及意义，然后简单介绍了液压驱动风扇冷却系统的组成，原理，引出了对所研究开发的试验台方案介绍，接着对论文相关的液压CAT技术以及电气传动技术进行介绍，最后对文章各章节内容的安排进行说明。
第二章重点介绍试验台动力驱动系统和加载系统的设计。首先分析了动力传动系统的需求，然后提出基于直接转矩控制的异步电机变频调速拖动的方案。最后结合实际应用介绍了变频电机选型、变频器配置及其保护与控制。
第三章着重介绍测控系统的电气设计。首先根据测控系统的设计要求提出总体方案，然后分别论述了数据采集系统的配置、PLC现场控制系统的设计、试验台温度控制系统的电气控制以及控制台的设计。
第四章设计了测控系统的电源配置系统。首先提出测控系统的电源配置方案，然后分析了测控系统UPS供电系统的设计，主要包括UPS的选型以及后备电池的选择，最后结合系统的需求对直流稳压电源进行介绍。
第五章重点讨论了试验台抗干扰的实现。首先介绍了电磁干扰的特点和危害，然后分析系统中存在的干扰源和干扰的传输途径，最后介绍系统中所采取的抗干扰措施。
第六章介绍了试验台电气系统的调试和部分试验项目的调试。
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第2章 试验台动力驱动系统及加载系统设计
2.1 试验台动力驱动系统和加载系统需求分析
试验台系统需要配置1台驱动电机，用于驱动液压泵给液压系统提供一定功率的液压能；为3路液压马达分别配置1台加载电机，用于实现给液压系统加载。驱动电机和加载电机的总体性能必须满足以下要求：
1.动力控制系统控制功能
(1) 动力电机及加载电机可以模拟风扇特性曲线运行；
(2) 满足试验件连续加减速试验；
2. 加载测功电机控制功能
(1) 转速控制方式（闭环）：)(t f v =；
(2) 转矩控制方式（闭环）：)(t f M =；
(3) )(n M 方式加载：)(n f M =，)(t f n =；
(4)风扇载荷谱输入加载),(t n f M =。
3. 电机及控制系统性能
(1) 驱动电机性能：调速范围0－3500r/min ；
(2) 控制系统性能：系统稳定精度：0.06％FS ；动态性能：稳定调节时间小于5s ；转矩响应时间：<5ms ；转矩控制精度：<±0.5％FS 。
2.2 试验台动力驱动系统和加载系统方案设计
根据试验台系统的结构特点和项目使用要求，设计试验台系统传动方案如图
2.1所示。其中，试验台动力驱动系统采用异步电机变频调速驱动液压泵的传动方案；加载系统采用变频器驱动交流异步电力测功机对液压马达加载的方式。并且动力驱动系统和加载系统组成“内部电封闭”结构，共用一个整流器供电。在本试验台中，内部电封闭的原理是：试验过程中，驱动电机按电动机工况运行，将吸收的电能转化为旋转机械能，通过传动系统驱动液压马达运行，加载电机则在液压马达的拖动下按发动机工况运行，将从吸收的机械能转换为电能，并回馈给驱动电机利用。“内部电封闭”技术是通过驱动电机和负载电机采用变频调速拖动和公用直流母线的方式运行实现的。采用“内部电封闭”技术能为试验台的运行带来以下好处：(1)系统从外部电网吸收的电能可以循环利用，只需补充传动过程中的能量损失，具有节能效果；(2)无须将回收的电能回馈到电网，因此对外部电网无干扰；(3)系统只需要共用一个整流设备，因此减少了设备数目，提高系统
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可靠性；(4)过程中，无须将回收的电能通过热能的方式消耗，具有环保的作用。
交流传动控制是电气控制的主要发展方向。一直以来，直流电机系统凭借其在对调速性能要求高的场合一直比交流电机调速系统具有优势，但是随着电力电子技术的发展，计算机控制等技术的应用，矢量控制、直接转矩控制这些高性能的交流调速技术的产生和应用，使交流调速系统已经可以与直流调速系统相媲美，并且有取代直流调速系统的趋势。此外，直流电机和交流电机相比具有明显的缺点。直流电机因为结构上具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，并且换向能力限制了它的容量和转速等等。相比之下，异步电机具有结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高等特点[5,8]。
图2.1 试验台传动方案
试验台动力驱动系统采用交流变频调速方案是因为交流变频调速系统具有结构简单，维护方便，动态、静态调速性能优异的特点；而加载系统采用交流变频调速方案，首先是因为交流变频调速具有良好的速度控制和转矩控制能力，可以满足系统的调速要求和转矩控制要求；其次，采用变频调速方案可以使加载系统省去了减速机构、减少系统的转动惯量，有利于提高系统的动态性能，并且交流电力测功机工作于发电状态，能实现能量的回馈利用，具有节能的特点；此外，变频调速产品标准化程度高，安装、维护、调试方便；异步电机可靠性高，维护方便，可以减少系统的维护成本。
2.3 试验台动力驱动系统和加载系统控制策略
驱动电机工作于电动状态驱动液压泵给一泵拖一马达试验、一泵拖二马达试验、一泵拖三马达试验以及其它部件性能测试提供一定功率的压力油。根据试验台试验项目的要求，驱动电机需要能够在0～3000r/min的速度范围内连续可调，在试验的某个阶段需要保持转速不变。通过变频调速闭环调节很容易实现驱动电机转速的恒定。加载电机用于模拟冷却风扇的运行特性，对液压马达施加负载转
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矩，使系统工作于特定的工况。通过变频调速系统对电机输出转矩的闭环调节保证输出转矩的稳定。通常，变频调速设备具有多种网络通讯接口，满足不同场合，不同应用的需求。试验台系统在变频器和主控计算机之间配置了通讯网络。试验过程中，主控计算机根据试验项目的要求和现场的实际状况，通过通讯网络向变频器传输控制信息，协调对动力驱动系统和加载系统的控制。
2.4 直接转矩控制系统的原理和特点
异步电机直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的另一种高动态性能交流电机变频变压调速控制技术。它由德国学者M.Depenbrock教授于1985年提出的[9]。
直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。
它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化[11-14]。
2.5 试验台动力驱动系统和加载系统具体配置
2.5.1 电机配置
试验台所配置的液压马达A、B型号相同，都是力士乐公司生产的型号为A2FM10的液压马达。该马达为柱塞定量马达，适用于开式或者闭式回路，其主
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要技术参数如下：
cm/r；
① 排量：103
② 最大转速：6300r/min（瞬时最高转速允许6900r/min）；
③ 最大流量：255L/min；
④ 扭矩常数：0.509 Nm/bar；
⑤ 最大扭矩（在350bar时）：178Nm；
⑥ 最大功率：2×3.14×6300×178/60；?
⑦ 转动惯量：0.0012Kg?m2；
⑧ 质量：9.5Kg；
试验台所配置的液压马达C型号为A2FM23。该马达为轴向柱塞式定量马达，既适用于开式回路，也适用于闭式回路。该液压马达的主要技术参数为：
cm/r；
① 排量：22.93
② 最大转速：6300r/min（瞬时最大转速为6900r/min）；
③ 最大流量为：176L/min；
④ 转矩常数：0.36Nm/bar；
⑤ 最大扭矩（在350bar时）：126Nm；
⑥ 质量：5.4Kg；
试验台配置的动力液压泵为samhydraulik 公司生产的HIO型定量泵。其主要技术参数如下：
cm/r；
①排量：1603
②最大工作压力：350bar；
③最大转速：1800r/min；
④最大流量：289L/min；
⑤最大功率：169KW；
⑥转矩常数：2.56Nm/bar；
⑦最大扭矩：896Nm；
⑧转动惯量：0.025Kg?m2；
⑨质量：61Kg；
试验台配置的被测试液压泵为力士乐 A4VG100型闭式泵，额定工作压力为100bar，使用温度范围为-20℃～+90℃，该泵的主要技术参数如下：
cm/r；
①主泵排量：1003
cm/r；
②补油泵排量：11.13
③最大转速：3600r/min；
④最小转速：500r/min；
⑤最大流量：202L/min；
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⑥转矩常数： 0.89Nm/bar；
⑦最大扭矩（在350bar时）：312Nm；
⑧最大功率（在350bar时）：117.6KW；
试验台开发协议规定，在所有试验项目中，液压系统的最大压力为27MPa（即270bar），一旦系统压力超过整个压力，高温电磁溢流阀就会动作，进行系统卸压，保证系统安全。试验项目中，规定试验过程中，液压马达的额定转速为4800r/min，最高转速5000r/min。
在一拖一工况时，对于液压马达A和B，其输出的最大扭矩为：270bar×0.509 Nm/bar=137Nm；最大输出功率为：2×3.14×5000×137/60=72Nm。对于液压马达C，其输出的最大扭矩为：270bar×0.36Nm/bar=98Nm；最大输出功率为：2×3.14×5000×98/60=52Nm。
针对试验台主要液压元件的配置和功率计算，对系统所使用的4台电机配置如下：
(1)ABB驱动电机1台，其输出特性曲线如图2.2所示。
T
（N m
图2.2 ABB驱动电机输出特性曲线
额定参数：200kW、3000r/min、640N·m；最高转速：4000r/min。
(2)国产高速负载电机3台。
额定参数：90kW、5000r/min、170N·m；最高转速：6000r/min。
额定参数：90kW、5000r/min、170N·m；最高转速：6000r/min。
额定参数：55kW、5000r/min、105N·m；最高转速：6500r/min。
试验台所配置的加载电机的额定转速为5000r/min最高转速能达到6000r/min，远远超过马达的工况点4800转，因此避免了在马达和电机之间使用减速箱，从而减少了系统的维护工作和能量损耗。而且在相同额定功率下，由于高速变频电机额定转速高，因此定子电流比普通电机小，所以其体积可以大大减少，从而降低了对试验台安装空间的要求，使试验台的布置具有更大的灵活性。
2.5.2 ACS800多传动电机驱动系统
变频器是交流电机控制中的核心部分，变频器的控制效果直接影响到系统的转矩、转速控制的动态、静态性能。目前，变频器产品种类繁多，并且各有其自
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生特点。本文采用的变频器是ABB公司设计生产的ACS800系列全数字交流变频器控制装置。ACS800系列变频器的核心是DTC（即直接转矩控制）技术，它是目前较先进的交流异步电机控制方式。ACS800系列变频器的最大优点是采用了通用技术，使其具有广泛的适应性，即启动向导功能、自适应性编程、DTC技术、通用的接口技术以及基于选型、调试和维护的通用软件工具。试验台的电机变频控制回路如图2.3所示。可以看出，整个电机的变频控制回路主要包括整流单元和传动单元两个部分。
1. 整流单元
整流单元的主电路包括主开关、滤波器和变流器。变流器与传动单元硬件兼容。IGBT整流单元用于有能量回馈的传动系统，它将三相交流电压整流为直流电压。在功率控制中，它提供如同DTC技术在电机控制中那样稳定和可靠的性能。
2. 传动单元
公共直流母线
图2.3电机的变频控制回路示意图
传动单元主要是逆变模块。逆变器具有内置的电容，对直流母线电压起稳压作用。连接到公共直流母线的电气连接线有熔断器保护。每个逆变器具有一个传动控制单元(DCU)，传动控制单元包括RMIO板和可选的输入/输出(I/O)模块。
试验台采用的是多传动的电机变频控制方式。考虑到该系统中驱动电机处于电动状态，负载电机处于发电状态。采用公共直流母排，将四台变频器的直流回路母线接在一起，形成内部电封闭回路。这样很好的解决了发电机能量回馈的问题，同时减少了系统从交流电网索取的能量，很好的实现了节能的目的。
2.6 变频调速系统的保护和控制
使用加载电机进行加载的项目的试验过程中，加载电机工作于发电状态，其发出的电能，通过逆变器回馈到直流母线，这部分电能可以被驱动电机的变频器利用，从而减少多传动系统从交流电网索取能量。但是，如果加载电机发出的电能过多，又不能及时被消耗或者回馈给交流电网，就有可能导致直流母线上电压过高，使变频器出现直流电压过压报警。通常，可以使用能耗制动或者回馈制动的方法来处理直流母线上的过电压。本系统中，采取了能耗制动的方式。能耗制
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动的方法是通过在直流母线侧并联电阻元件，将再生能量消耗在功率电阻上实现的。
能耗制动单元是将制动斩波器和制动电阻集成在一起的整体结构。制动斩波器的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限值时（如660V或710V），接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动电阻用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻的阻值和功率容量两个重要的参数。制动过程如下：当电机以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高，当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；当母线电压降至制动单元的关断值时，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡直流母线的电压，使系统正常运行[14-15]。
ACS800系列变频器采用IGBT实现PWM逆变技术，其输出的电能包含电网电压的 1.35倍的脉冲，并且电压的上升时间非常短。因此在逆变器输出端配置du/dt滤波器抑制逆变器输出的电压尖峰、减少容性漏电流和电机电流的高频辐射。
控制盘可以完成对所有变频器的应用控制功能。包括参数设定修改，故障记录观察，本地和远程切换，编程，拷贝等功能。通过盘面的 LCD显示窗口及操作按钮，提供完善友好的人机对话界面。控制盘是可拆卸的，它与变频器之间通过RS485总线连接。本试验台系统中，将控制盘安装到控制台上，方便操作人员在一个安静的环境中进行操作和集中观察系统的运行情况。
通过采用现场总线协议或ABB公司所开发的集散式传动通讯系统(DDCS)可以实现ABB交流传动装置与多种主要的自动控制系统相连接。本系统采用DDCS 可选通讯模块通过高速光纤进行数据传输。DDCS协议的通讯速率达到4Mbit/s，具有极佳的抗干扰能力。通过光纤通讯，完成试验过程中的传动控制（变频器启动、停止、转速给定、转矩给定）、传动监控（输出频率，电机电流，电网输入电压，变频器输出电压，电机功率，给定信号，实际信号等电气量）、传动故障诊断（反映故障诊断信息的报警和故障字）。
除了使用光纤通讯控制变频器的运行外，系统还通过变频器的数字I/O通道，对其进行控制，使其与试验台测控系统中的其它设备协调运行。ABB的I/O端口具有自定义编程的特点，并且ABB公司提供了多种标准的应用宏供用户使用。应用宏是ABB公司预先为用户定制的用于实现变频器控制的应用程序，其中包含了各个I/O口的功能配置信息。本系统的变频器采用了ABB公司的标准工厂宏文件，通过修改配置参数，定义变频器的急停功能通过I/O口由硬件触发。系统中使用的变频器I/O通道及其功能见下表2.1。
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表2.1 变频器I/O通道及其功能
I/O口名称功能说明
DI1 无急停：输入为1时，变频器不执行急停操作；输入为0时，变频器要执行急停操作。
DI2 运行使能：输入为1时，变频器允许运行；输入为0时，变频器禁止运行
D01 变频器急停输出：输出为1时，指示变频器发生急停；输出为0时，指示变频器没发生急停。
DO2 变频器运行输出：输出为1时，表示变频器正在运行状态；输出为0时，表示变频器不在运行状态。
DO3 变频器故障输出：输出为1时，表示变频器发生故障；输出为0时，表示变频器没发生故障。
2.7 本章小结
本章首先对试验台的动力驱动系统和加载系统的性能需求进行了分析，然后提出了异步电机交流变频调速拖动的方案，介绍了电机的配置和变频器的选型，以及ABB公司ACS800多传动变频器的特点 以及在本系统中的应用。最后介绍了变频系统的保护和外部控制接口的实现。
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第3章试验台测控系统设计
计算机技术、控制技术、通讯技术的发展使测控技术发生了巨大的变化，从以测试仪器仪表和控制装置为中心的常规测控系统，转变为以计算机为中心的现代测控系统。计算机测控系统的发展，一方面大大提高了测控过程的自动化水平和测控的精度，另一方面能简化系统的结构，方便维护并缓解测控人员的劳动强度。测控技术正向着模块化、网络化和智能化方向发展。本文结合目前流行的测控技术，从试验台的功能需求出发，重点研究试验台测控系统的电气设计方面，主要介绍了数据采集系统、PLC控制系统以及控制台的设计。
3.1 试验台测控系统设计要求及总体方案
3.1.1 测控系统设计原则和要求
根据项目开发技术协议的要求和计算机测控系统的一般设计原则，测控系统应该满足以下设计要求：
(1) 采用工艺成熟、质量可靠、先进、合理的技术进行设计；
(2) 测控系统应采用适宜于工业控制环境要求的性能稳定可靠、标准成熟的测控技术和手段；
(3) 设备选型时应充分考虑到好维护的要求；
(4) 系统的监控保护措施要齐全；
(5) 测控系统完成过程信号的采集和处理，过程参数的设定和监视，故障报警，以及与加载系统、驱动系统通讯。
(6)控制系统具有手动操作和自动控制两种操作方式。自动方式通过操作员确认试验参数后自动完成相应的试验过程；手动方式能实现操作人员对设备的直接操作，但必须保证设备间的互锁保护关系。
(7) 流量传感器信号，精度等级为±2%；其它传感器的精度等级为±1%。 3.1.2 试验台测控系统总体方案
测控系统是该试验台的核心部分，它主要完成的数据采集、数据处理、变频器及现场设备控制、油温控制、现场监视和安全保护等功能。试验台系统液压原理图见附图B。试验台具有以下特点：
(1) 试验台需要采集的数据量大，类型多样；
(2) 试验台使用的设备类型多样，试验过程中需要协调控制；
(3) 试验台具有手动和自动控制功能、对安全保护方面要求严格。
针对试验台的特点和测控系统的设计要求，设计了试验台测控系统的总体方