CN103335831A - 一种制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟和模拟复合制动状态下除受试制动器外的其它制动系统的制动力矩，特别是一种制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法。通过同步采集飞轮转速、受试制动器制动力矩，按数学模型计算出电机在此时的计算角速度并据此给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有试验台系统固有阻力的状态下运行。实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求。

Description

一种制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法

技术领域

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟、复合制动的电气传动模拟，特别是制动器试验台及其电惯量模拟控制方法。

背景技术

在制动器的台架试验中，需要测试不同条件下制动器的制动性能，因此，制动试验台应具备提供在模拟不同工况的功能。

载荷的机械模拟是通过飞轮实现的，由于飞轮或飞轮组的转动惯量是固定的或固定分级的，因而无法始终准确的模拟载荷，通过电惯量模拟可以很好地解决该问题。

试验台机械飞轮系统在运行时由于机械摩擦和风阻的影响，会产生系统固有阻力矩，影响试验精度。因此在控制过程中应排除试验台系统固有阻力矩的干扰。

无论是列车还是汽车，实际制动均是制动器和风阻、车辆回转系机械摩擦等（高铁动车组有电气制动、磁轨制动等）共同作用的结果，高精度的试验应考虑到除受试制动器外其他阻力的作用，可模拟制动器的实际使用工况。

发明内容

本发明的目的是提供一种制动器电惯量模拟试验台及其电惯量模拟控制方法，以实现转动惯量的精确匹配，提高试验精度。消除试验台系统固有阻力矩的干扰。试验过程中考虑除受试制动器外的其他阻力或制动器的影响，可实现受试制动器的仿真运行试验。

本发明的目的是这样实现的，一种制动器电惯量模拟试验台，其特征是：至少包括扭矩传感器、飞轮、拖动电机、测速传感器、电惯量模拟控制单元和电气传动控制单元；电机轴端安装有测速传感器，受试制动器和飞轮之间安装有扭矩传感器用于测量受试制动器的制动力矩，测速传感器、扭矩传感器分别与电惯量模拟控制单元；由电气传动控制单元驱动拖动电机拖动飞轮运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元获取扭矩传感器和测速传感器同步采集的制动扭矩、飞轮角速度，电惯量模拟控制单元依据数学模型计算出电机在此时的计算角速度并据此给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有系统固有阻力的状态下运行。

所述的依据数学模型计算出飞轮轴在该时刻的计算角速度是依据数学模型公式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

一种制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法：

1)对复合制动除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_s，规定其为角速度的函数，根据试验要求给定，即

T′_s＝T′_s(ω)

2)令：控制周期Δt＝t_n-t_n-1＝const，t_n＝n·Δt，n＝0，1，2，…；

式中：t_n和t_n-1均表示时刻。

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n＝0

3)电机拖动飞轮运行到给定的初始角速度ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，此时为t₀时刻；

4)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、制动力矩信号；

5)根据步骤4）采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、制动力矩T_sn；

6)根据步骤5）得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2）规定的制动末角速度[ω]，判定ω_n>[ω]是否成立，若成立则进行步骤7），否则执行步骤11）；

7)计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn

8)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度；

9)控制电机转速逼近计算角速度；

10)令n＝n+1，进行步骤4）；

11)退出电惯量模拟。

所述的步骤7）计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn是根据下式：

T′_sn＝T′_s(ω_n)

所述的步骤8）按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度是根据下式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

优点是：通过同步采集飞轮转速、制动力矩，按数学模型计算出飞轮轴在该时刻的计算角速度并据此给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有试验台系统固有阻力的状态下运行。特别是在实际控制过程中无需标定试验台系统固有阻力且无需计算之，从而降低了试验台系统固有阻力标定误差带来的对试验精度的不良影响，实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求。

附图说明

图1是本发明实施例原理图。

图中:1、扭矩传感器；2、飞轮；3、拖动电机；4、测速传感器；5、电惯量模拟控制单元；6、电气传动控制单元；7、受试制动器。

具体实施方式

如图1所示，一种制动器电惯量模拟试验台，其特征是：至少包括扭矩传感器1、飞轮2、拖动电机3、测速传感器4、电惯量模拟控制单元5和电气传动控制单元6；电机轴端安装有测速传感器4，受试制动器7和飞轮2之间安装有扭矩传感器1用于测量受试制动器的制动力矩，测速传感器4、扭矩传感器1分别与电惯量模拟控制单元5；由电气传动控制单元6驱动拖动电机3拖动飞轮2运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元5获取扭矩传感器1和测速传感器4同步采集的制动扭矩、飞轮角速度，电惯量模拟控制单元5依据数学模型计算出电机在此时的计算角速度并据此给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有系统固有阻力的状态下运行。

电惯量模拟控制单元采用专用计算机，电气传动控制单元采用本领域公知的技术，这里就不做详细描述。

所述的依据数学模型计算出飞轮轴在该时刻的计算角速度是依据数学模型公式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

一种制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法：

1)对复合制动除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_s，规定其为角速度的函数，根据试验要求给定，即

T′_s＝T′_s(ω)

2)令：控制周期Δt＝t_n-t_n-1＝const，t_n＝n·Δt，n＝0，1，2，…；

式中：t_n和t_n-1均表示时刻。

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n＝0

3)电机拖动飞轮运行到给定的初始角速度ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，此时为t₀时刻；

4)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、制动力矩信号；

5)根据步骤4）采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、制动力矩T_sn；

6)根据步骤5）得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2）规定的制动末角速度[ω]，判定ω_n>[ω]是否成立，若成立则进行步骤7），否则执行步骤11）；

7)计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn

8)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度；

9)控制电机转速逼近计算角速度；

10)令n＝n+1，进行步骤4）。

11)退出电惯量模拟。

所述的步骤7）计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn是根据下式：

T′_sn＝T′_s(ω_n)

所述的步骤8）按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度是根据下式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

按上述数学模型及电惯量模拟控制方法编制计算机控制程序，在每一个控制周期读取扭矩传感器和测速传感器测得的制动力矩和转速，计算出电机的计算角速度，使电气传动系统控制电动机按要求输出角速度，直至制动过程结束。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (5)

1.一种制动器电惯量模拟试验台，其特征是：至少包括扭矩传感器（1）、飞轮（2）、拖动电机（3）、测速传感器（4）、电惯量模拟控制单元（5）和电气传动控制单元（6）；电机轴端安装有测速传感器（4），受试制动器（7）和飞轮（2）之间安装有扭矩传感器（1）用于测量受试制动器的制动力矩，测速传感器（4）、扭矩传感器（1）分别与电惯量模拟控制单元（5）；由电气传动控制单元（6）驱动拖动电机（3）拖动飞轮（2）运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元（5）获取扭矩传感器（1）和测速传感器（4）同步采集的制动扭矩、飞轮角速度，电惯量模拟控制单元（5）依据数学模型计算出电机在此时的计算角速度并据此给定，使得试验台在逼近理想飞轮且没有系统固有阻力的状态下运行。

2.根据权利要求1所述的一种制动器电惯量模拟试验台，其特征是：所述的依据数学模型计算出飞轮轴在该时刻的计算角速度是依据数学模型公式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

3.一种制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法，至少包括：

1)对复合制动除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_s，规定其为角速度的函数，根据试验要求给定，即

T′_s＝T′_s(ω)

2)令：控制周期Δt＝t_n-t_n-1＝const，t_n＝n·Δt，n＝0，1，2，…；

式中：t_n和t_n-1均表示时刻；

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n＝0；

3)电机拖动飞轮运行到给定的初始角速度ω₀；速度稳定后受试制动器开始制动过程，此时为t₀时刻；

4)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、制动力矩信号；

5)根据步骤4）采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、制动力矩T_sn；

6)根据步骤5）得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2）规定的制动末角速度[ω]，判定ω_n>[ω]是否成立，若成立则进行步骤7），否则执行步骤11）；

7)计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn

8)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度；

9)控制电机转速逼近计算角速度；

10)令n＝n+1，进行步骤4）；

11)退出电惯量模拟。

4.根据权利要求3所述的一种制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法，其特征是：所述的步骤7）计算t_n时刻除受试制动器以外的其它制动产生的制动力矩T′_sn是根据下式：

T′_sn＝T′_s(ω_n)。

5.根据权利要求3所述的一种制动器电惯量模拟试验台的电惯量模拟控制方法，其特征是：所述的步骤8）按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻计算角速度是根据下式：

在任一时刻t_n

t_n＝n·Δt   n＝0，1，2，…

计算角速度ω′_n为

${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=n}(T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{si}}^{\′})\mathrm{\Δt}}{I}$

式中，ω₀是飞轮制动初始角速度，T_si是受试制动器的制动力矩，T′_si是折算到受试制动器上的除T_si以外的制动力矩，Δt是控制周期，I是理想飞轮的转动惯量。

Images