CN103439041B - 钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供公开了一种钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置，包括减速箱、电机、数据采集及处理系统、人机接口操作系统；所述减速箱通过连接轴与电机连接，减速箱与芯轴连接，电机与数据采集及处理系统连接，数据采集及处理系统与人机接口操作系统连接。能通过电机测量系统对摩擦转矩进行精密测量，并进行线性拟合，得到不同速度下的动态摩擦转矩，实现动态摩擦转矩的自动计算及定驻存储，可以满足薄带张力稳定性和精密调速等要求较高场合下张力的动态摩擦转矩补偿，避免了因张力、速度波动导致的误时和麻烦。

Description

钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置

技术领域

本发明涉及测量设备技术领域，尤其涉及一种用于现场实时测量传动设备动态摩擦转矩的钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置。

背景技术

现有技术的薄钢板生产过程中采取张力控制手段来保持轧制系统稳定，但轧制中不同的速度对应的设备摩擦转矩不同，直接影响张力控制的稳定性，从降低对速度的控制精度，如何补偿不同速度下动态摩擦转矩变化对张力的影响，避免速度波动，就成为急需解决的问题。

在现代张力控制中动态摩擦转矩的大小主要取决于设备设计者根据经验所给出的数据,这些数据在计算中或进行简化计算,或粗略估算,与现场实际应用脱节，得到的只是一个近似值,并不准确，给张力控制环节带来诸多不便，为保证动态补偿精度,现场对摩擦转矩进行实地测量就显得尤为重要。而传统的摩擦转矩的测量都是通过人工或增加外围设备进行测试，增加了人本身的工作量或设备成本，测试过程繁琐，时间长，影响设备运行的连续性。所以为了提高摩擦转矩测量的精度，简化测量步骤，我们提供了这种一键式电动机摩擦转矩自动测量装置。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置；不需要通过人工或增加外围设备进行测试，能通过电机测量系统对摩擦转矩进行精密测量，并进行线性拟合，从而得到不同速度下的动态摩擦转矩。实现动态摩擦转矩的自动计算及定驻存储，可以满足薄带张力稳定性和精密调速等要求较高场合下张力的动态摩擦转矩补偿，避免了因张力、速度波动导致的误时和麻烦。

本发明解决技术问题的技术方案是：

一种钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置，包括减速箱、电机、数据采集及处理系统、人机接口操作系统；所述减速箱通过连接轴与电机连接，减速箱与芯轴连接，电机与数据采集及处理系统连接，数据采集及处理系统与人机接口操作系统连接。

所述数据采集及处理系统包括一体式速度及位置测量装置、24V脉冲分配板、电机模型计算系统、数据处理系统、CPU，所述一体式速度及位置测量装置、24V脉冲分配板、电机模型计算系统依次连接，所述24V脉冲分配板与数据处理系统连接，数据处理系统与CPU连接，人机接口操作系统与CPU连接。

所述一体式速度及位置测量装置通过信号接口采集传动速度信号，通过DP网络采集电机模型计算装置中扭矩信号，对信号进行拟合处理，进而计算出动态下的摩擦转矩。

所述人机接口操作系统通过WinCC人机画面一键点击，电机在不同的设定速度下以一定时间空载运行，从而实现摩擦转矩的测量及显示。对于新设备、现场部件后期更换后的标定测试，具有测试方法简单、测量数据准确，测试速度快等优点，操作简单，适合大众使用。

本发明的有益效果：

1.本发明不需要通过人工或增加外围设备进行测试，能通过电机测量系统对摩擦转矩进行精密测量，并进行线性拟合，从而得到不同速度下的动态摩擦转矩。

2.实现动态摩擦转矩的自动计算及定驻存储，满足薄带张力稳定性和精密调速等要求较高场合下张力的动态摩擦转矩补偿，避免了因张力、速度波动导致的误时和麻烦。

3.能够对现场数据进行有效采集，并能通过DP网络将数据传到控制系统中，通过对控制系统的软件进行配置，将信号引入WinCC操作系统，通过对界面进行一键式的操作，能够将现场数据自动采集到控制系统并进行存储，操作简单，运行连贯。

4.对于新设备、现场部件后期更换后的标定测试，具有测试方法简单、测量数据准确，测试速度快等优点，操作简单，适合大众使用。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

其中，1-芯轴、2-减速机、3-连接轴、4-电机、5-速度测量及位置测量系统、6-24V脉冲分配板、7-电机模型计算系统、8-数据处理系统、9-数据采集及处理系统、10-人机接口操作系统

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置，参见图1，包括减速箱2、电机4、数据采集及处理系统9、人机接口操作系统10；所述减速箱2通过连接轴3与电机4连接，减速箱2与芯轴1连接，电机4与数据采集及处理系统9连接，数据采集及处理系统9与人机接口操作系统10连接。

所述数据采集及处理系统9包括一体式速度及位置测量装置5、24V脉冲分配板6、电机模型计算系统7、数据处理系统8、CPU，所述一体式速度及位置测量装置5、24V脉冲分配板6、电机模型计算系统7依次连接，所述24V脉冲分配板6与数据处理系统8连接，数据处理系统8与CPU连接，人机接口操作系统10与CPU连接。

所述一体式速度及位置测量装置5通过信号接口（如SM500）采集传动速度信号，通过DP网络采集电机模型计算装置中扭矩信号，对信号进行拟合处理，进而计算出动态下的摩擦转矩。

所述人机接口操作系统10通过WinCC人机画面一键点击，电机在不同的设定速度下以一定时间空载运行，从而实现摩擦转矩的测量及显示。对于新设备、现场部件后期更换后的标定测试，具有测试方法简单、测量数据准确，测试速度快等优点，操作简单，适合大众使用。

使用时，电机后侧的一体式速度测量及位置测量系统5，将设备旋转角速度及位置信号通过24V脉冲分配板6分别传送给电机模型计算系统7和数据采集及处理系统9,电机模型计算系统对采集的数据进行实时计算，计算出的电机扭矩通过DP网络将数据传输到数据采集及处理系统，通过后端背板将数据传输到数据处理系统，对不同速度进行测量进行记录存储，并根据现场工艺要求，通过附加转矩的方式将摩擦转矩附加到电机转动扭矩上输出。具体的摩擦转矩计算方式如下：

工艺参数设定完成时，数据处理系统TDC通过内部计算将电机控制参数给到电机模型。电机做旋转运动公式如下：

$T-T_Z=j\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}$

T：电磁转矩；T_Z：负载转矩N·m

J：电机机轴上的总转动惯量,kg/m²

Ω：电机转动角速度，rad/s

在工程计算中,常用n代替Ω表示系统速度,

用飞轮力矩GD²代替J表示系统机械惯性。

Ω=2πn/60

J=mρ²=(G/g)×(D²)/4=GD²/4g

综合可得：

$T-T_Z=j\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}$

$T-T_Z=j\frac{{\mathrm{GD}}^2}{4g}\frac{2\mathrm{\Π}}{60}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}=\frac{G{D}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

$T-T_Z=\frac{{\mathrm{GD}}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

GD²=(T-Tz)*375*dt/dn

m：系统转动部分的质量，Kg

G：系统转动部分的重量，N

ρ：系统转动部分的转动半径，m

D：系统转动部分的转动直径，m

g：重力加速度=9.8m/s²

GD²：系统转动部分的总飞轮惯量（飞轮矩）

电力拖动系统的运动状态：

当T=T_z 稳态，匀速

当T>T_z 暂态，加速

当T<T_z 暂态，减速

测试电机在匀速运稳态的情况下的摩擦转矩，即

可得：GD²=(T-Tz)*375

电机模型中电磁转矩公式：

T=C_TΦIacosΦ

C_T转矩常数

Φ主磁通量

Ia转子电流有功分量

电机负载转矩公式：

Tz=9550×P/n

P：电机功率W

n:每分钟转速单位转/分钟

Tz:转矩单位Nm

根据电机在空载状况下运行的主磁通量、转子电流有功分量和速度测量装置测到的电机转速，从而算出电机空载时的电磁扭矩及负载转矩，通过内部过程计算得出电机转动惯量及摩擦转矩。

数据处理系统TDC内部程序块NOP1首先对使能、正反转、电机最大转速、最大扭矩、实际速度、脉冲时间进行定义，并传递至内部列表程序块，根据现场工艺状况，从零速到最高速度一般情况取其10项正向速度在I/O模块中定义为S1-S0，取10项反向速度在I/O模块中定义为NS1-NSO，以脉冲信号作为测试时间，设定急停控制命令，定义输出图像的横纵坐标，电机模型计算系统通过DP网络将实际速度、实际转矩等信号传输到数据采集系统，数据采集及处理系统通过在不同速度下分别测量电机空载时的摩擦扭矩和转动惯量，对各速度下测到的数据进行线性拟合，得到空载状况下不同速度的摩擦转矩和转动惯量曲线，定义WinCC界面横纵坐标梯形显示框，将测量到的摩擦转矩及设定速度赋值到梯形块中在WinCC中显示，并设置开始按钮方便操作。

使用本发明摩擦转矩自动测量装置，便于操作人员在不同速度下进行设定测量摩擦转矩，不但保证每个速度下的测量数据的准确，同时能进行自动定驻存储，更重要的是，本发明摩擦转矩自动测量装置测量精度高，误差小，满足薄带张力稳定性和精密调速等要求较高场合下张力的动态摩擦转矩补偿。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置，包括减速箱、电机、数据采集及处理系统、人机接口操作系统，其特征是，所述减速箱通过连接轴与电机连接，减速箱与芯轴连接，电机与数据采集及处理系统连接，数据采集及处理系统与人机接口操作系统连接；所述数据采集及处理系统包括一体式速度及位置测量装置、24V脉冲分配板、电机模型计算系统、数据处理系统、CPU，所述一体式速度及位置测量装置、24V脉冲分配板、电机模型计算系统依次连接，所述24V脉冲分配板与数据处理系统连接，数据处理系统与CPU连接，人机接口操作系统与CPU连接；所述一体式速度及位置测量装置通过信号接口采集传动速度信号，通过DP网络采集电机模型计算装置中扭矩信号，对信号进行拟合处理，进而计算出动态下的摩擦转矩，具体的摩擦转矩计算方式如下：

工艺参数设定完成时，数据处理系统TDC通过内部计算将电机控制参数给到电机模型，电机做旋转运动公式如下：

$T-T_Z=j\frac{\mathrm{d\&Omega;}}{\mathrm{dt}},$

其中T：电磁转矩；T_Z：负载转矩N·m，

j：电机机轴上的总转动惯量,kg/m²，

Ω：电机转动角速度，rad/s；

在工程计算中,常用n代替Ω表示系统速度,用飞轮力矩GD²代替J表示系统机械惯性，Ω＝2πn/60，j＝mρ²＝(G/g)×(D²)/4＝GD²/4g，

综合可得：

$T-T_Z=j\frac{\mathrm{d\&Omega;}}{\mathrm{dt}},$

$T-T_Z=j\frac{{\mathrm{GD}}^2}{4g}\frac{2\mathrm{\&Pi;}}{60}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{CD}}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}},$

$T=T_Z=\frac{{\mathrm{CD}}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}},$

GD²＝(T-Tz)*375*dt/dn，

其中，m：系统转动部分的质量，Kg，

G：系统转动部分的重量，N，

ρ：系统转动部分的转动半径，m，

D：系统转动部分的转动直径，m，

g：重力加速度＝9.8m/s²，

GD²：系统转动部分的总飞轮惯量；

电力拖动系统的运动状态：

当T＝T_z 稳态，匀速，

当T>T_z 暂态，加速，

当T<T_z 暂态，减速，

测试电机在匀速运稳态的情况下的摩擦转矩，即可得：GD²＝(T-Tz)*375，

电机模型中电磁转矩公式：

T＝C_TΦIacosΦ，

C_T转矩常数，

Φ主磁通量，

Ia转子电流有功分量，

电机负载转矩公式：

Tz＝9550×P/n

其中，P：电机功率W，

n:每分钟转速单位转/分钟，

Tz:转矩单位Nm，

根据电机在空载状况下运行的主磁通量、转子电流有功分量和速度测量装置测到的电机转速，从而算出电机空载时的电磁扭矩及负载转矩，通过内部过程计算得出电机转动惯量及摩擦转矩。

2.根据权利要求1所述的钢带生产用电动机摩擦转矩自动测量装置，其特征是，所述人机接口操作系统通过WinCC人机画面一键点击，电机在不同的设定速度下以一定时间空载运行，从而实现摩擦转矩的测量及显示。