CN214279247U

CN214279247U - 一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置

Info

Publication number: CN214279247U
Application number: CN202120607109.7U
Authority: CN
Inventors: 葛惠民; 申屠胜男; 陈沉; 程文锋
Original assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2031-03-25

Abstract

本实用新型公开了一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，包括加载装置、转矩转速仪、被试电机、测速装置、控制器、触摸屏和测量显示仪；所述加载装置的输出轴经联轴器与转矩转速仪连接；所述转矩转速仪与测量显示仪电连接；所述转矩转速仪的输出轴经联轴器与被试电机连接；所述被试电机与测速装置连接；所述控制器分别与测速装置和加载装置电连接；所述触摸屏与控制器通信连接。本实用新型作为传统电机实验实训、变频器实验实训等教学设备配套的模拟负载对象，提高实验实训教学效果；也可以作为各类电机试验、变频器等电机驱动器实验或自动控制系统试验的模拟负载对象，提高试验效率。

Description

一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置

技术领域

本实用新型涉及属于教学设备和电机测试领域，特别涉及一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置。

背景技术

变频器、数控系统、电机等实验实训设备需要控制对象，如：恒压供水系统，风机、水泵、传送带等。一种方法是采用水箱模型、电梯模型等，这种方法的缺点是成本高、占空间大，也不能满足教学需要多种类型控制对象的要求。

实际机械负载对象的模拟主要有四个方面的内容：(1)机械特性的模拟，即转矩-转速特性曲线的模拟。针对不同的应用场合，典型的负载类型有：恒转矩负载,负载转矩与转速无关，如传送带、提升机等；恒功率负载，负载功率与转速无关，如卷绕机、机床主轴等；线性负载，负载转矩与转速成正比，如拉丝机等、二次方负载；负载转矩与转速平方成正比，如风机、水泵等；实际设备负载往往是以上之组合，复杂度较高。(2)工况的模拟，即转矩-时间曲线的模拟，指的是设备在不同工况下，负载的变化，如：数控机床在工艺参数下加工某工件过程中，主轴负载转矩的变化；(3)故障特性的模拟，如数控机床加工过程中，刀具发生碰撞故障时负载转矩的变化；(4)应用场景的模拟。

现有的设备或装置，如各种电机负载试验系统，也能进行加载，主要目的是进行电机的负载性能测试。但在教学教育领域中，缺乏相关的设备或装置，因此如何得到一种与电机相关的教学设备的机械负载对象的模拟装置是申请人当前亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置。本实用新型作为传统电机实验实训、变频器实验实训等教学设备配套的模拟负载对象，提高实验实训教学效果；也可以作为各类电机试验、变频器等电机驱动器实验或自动控制系统试验的模拟负载对象，提高试验效率。

本实用新型的技术方案：一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，包括加载装置、转矩转速仪、被试电机、测速装置、控制器、触摸屏和测量显示仪；所述加载装置的输出轴经联轴器与转矩转速仪连接；所述转矩转速仪与测量显示仪电连接；所述转矩转速仪的输出轴经联轴器与被试电机连接；所述被试电机与测速装置连接；所述控制器分别与测速装置和加载装置电连接；所述触摸屏与控制器通信连接。

上述的电机教学设备的机械负载对象的模拟装置，所述的加载装置为磁滞制动器；所述的测速装置为光电编码器。

前述的电机教学设备的机械负载对象的模拟装置，所述的加载装置为交流伺服电动机、变频电机或磁粉制动器的一种。

前述的电机教学设备的机械负载对象的模拟装置，所述的测速装置为测速发电机或磁编码器。

前述的电机教学设备的机械负载对象的模拟装置，所述的控制器为单片机、嵌入式控制器、PLC或计算机。

与现有技术相比，本实用新型采用了一种负载机械特性、负载故障特性和虚拟应用场景相结合的全场景模拟装置。对控制器来说，就像是真实设备，电动机被加载转矩特性、故障特性是与真实对象一样的；对学习者来说，还能看到所模拟的对象的真实场景。因此，模拟效果更好、更全面。作为一种独立的装置，可以用于各种教学设备，提高教学效率和效果，减少成本；也可用于测试设备，可以提高测试效率。本实用新型的模拟装置因为装置的硬件是固定的，而模拟对象的软件库却可随着教学需要而不断扩充，因此可以一套装置可以模拟多种机械对象。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的实物连接示意图；

图3是负载特性模拟的控制模型和算法示意图；

图4是负载特性模拟的算法的控制流程示意图；

图5是实际工况负载模拟的控制模型及算法。

附图标记

1、加载装置；2、转矩转速仪；3、被试电机；4、测速装置；5、控制器；6、触摸屏；7、测量显示仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例1：一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，如图1和图2所示，包括加载装置1、转矩转速仪2、被试电机3、测速装置4、控制器5、触摸屏6和测量显示仪7；所述加载装置1的输出轴经联轴器与转矩转速仪2连接；所述转矩转速仪2与测量显示仪7电连接；所述转矩转速仪2的输出轴经联轴器与被试电机3连接；所述被试电机3与测速装置4连接；所述控制器5分别与测速装置4和加载装置1电连接；所述触摸屏6与控制器5通信连接。

本实施例中，所述的加载装置1为磁滞制动器；所述的测速装置4为光电编码器。磁滞制动器是一种转矩加载装置1，通过0-10mA电流控制负载转矩在0-最大转矩之间变化；电流控制信号由控制器5根据数学模型计算后给出；具有线性度好、输出转矩与转速无关、控制简单等优点。它利用磁滞原理，通过控制输入的励磁电流，产生一定的扭矩。控制电流和输出扭矩有较好的线性关系。它能提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制。磁滞制动器由转子和定子磁极两大部分组成。转子由特殊的磁滞材料制成，定子磁极中有一定的间隙，转子在间隙中转动。当线圈通电时，间隙中产生磁场，使转子产生磁滞效应。当磁滞转子在外力作用下克服磁滞力转动时，产生额定的扭矩。其特点是：(1)转矩仅与激磁电流大小有关，与转速无关；(2)实现非接触的扭矩传输；(3)励磁电流与输出转矩基本成比例关系，传送转矩在额定值的5-100％范围内可以控制，小电流可以控制输出较大的转矩。

转矩转速仪2用于实时测量负载的动态转矩和转速，其输出信号经过测量显示仪7处理后实时显示动态转矩和转速值。该值可作为监视或校正之用途。

被试电机3可以是各种类型的电机。

光电编码器是一种负载转速测量装置，其信号送到控制器5，控制器5把转速脉冲信号经计数、鉴别旋转方向处理后得到负载转速的数值和方向，根据数学模型的控制算法计算出相应的转矩值并转换为0～10mA的转矩控制信号，控制磁滞制动器1输出对应的负载转矩。数学模型的控制算法包括：基于公式的原理性模型算法、基于工况测量数据的数据模型算法。

控制器5由PLC或单片机或计算机及其接口电路来实现，主要完成输入输出信号的转换、控制算法处理及与触摸屏6的通信。触摸屏66负责参数输入、功能选择，测量值与负载曲线的实时显示，应用场景的展示等。

触摸屏6的界面功能主要包括：参数设置-输出转矩当量、脉冲编码器当量、各种负载类型的负载参数等；负载类型选择，包括能用公式表示的典型负载对象-恒转矩负载、恒功率负载、线性负载、二次方负载、重力负载及其复合负载，基于实际设备工况的数据模型的负载对象，可叠加与数据模型负载对象的故障模型数据；应用场景的展示窗口-包括曲线图展示或视频展示。

实施例2：在本实施例中，作为加载装置1的磁滞制动器用交流伺服电动机、变频电机、磁粉制动器的其中一种代替；作为测速装置4的光电编码器用测速发电机、磁编码器等其它测速装置4代替。控制器5可选单片机、嵌入式控制器5、PLC、计算机等作为控制器5的核心。

实施例3：本实施例基于实施例1或实施例2中的装置进行全场景模拟，包括机械负载对象的负载特性模拟、实际工况负载模拟、负载故障特性模拟、应用场景模拟。负载特性模拟是基于模型的数学公式的；实际工况负载模拟、负载故障特性模拟是基于数据驱动的，即通过测量实际设备的运行数据来实现；应用场景模拟通过虚拟技术实现(图像、曲线或视频等)

1、负载特性模拟的控制模型和算法

通过实时测量负载转速n，根据公式T_L＝K₀+K₁×n^-1+K₂×n+K₃×n²计算出即时负载转矩T_L，式中K₀-K₃为负载系数，再转化为0-10mA的转矩控制信号，实现负载转矩的动态加载，如图3所示，控制流程如图4所示。

(1)恒转矩负载，K₁＝K₂＝K₃＝0，T_L＝K₀，K₀可调，为设定的负载转矩值，T_L≤T_MAX。

(2)恒功率负载，K₀＝K₂＝K₃＝0,T_L＝K₁×n^-1，K₁可调，T_L≤T_MAX。

(3)线性转矩负载，K₀＝K₁＝K₃＝0，T_L＝K₂×n，K₂可调，T_L≤T_MAX。

(4)二次方转矩负载，K₀＝K₁＝K₂＝0，T_L＝K₃×n²，K₃可调，T_L≤T_MAX。

(5)重力负载，当n＜0时，T_L＝K₀₁；当n＝0时，T_L＝K₀₂；当n＞0时，T_L＝K₀₃。T_L≤T_MAX。

(6)复合负载，T_L＝K₀+K₁×n^-1，T_L＝K₀+K₂×n，T_L＝K₀+K₁×n²，T_L≤T_MAX。

(7)自定义负载，选取自定义负载转矩-转速曲线的若干个(转矩，转速)点组，经过折线拟合，输出不同转速对应的负载转矩。

2、实际工况负载模拟的控制模型及算法

通过测量实际设备运行的工况数据，形成数据库或表格{(T_L0，n₀，t₀)，(T_L1，n₁，t₁)，(T_L2，n₂，t₂)，(T_LN，n_N，t_N)}，控制器定时读取数据库或表格负载转矩值并转化为加载装置的转矩加载控制信号输出，如图5所示。

3、负载故障特性模拟的控制模型及算法

通过设备故障模型计算或实测设备运行发生故障时的数据，形成故障数据库或表格(T_L0，T_L1，T_L2，T_Ln)；控制器定时读取数据库或表格负载转矩值并转化为加载装置的转矩加载控制信号输出，或在实际工况负载模拟的状态下随机插入故障模型数据。

4、应用场景的控制模型及其算法

应用场景指的是被模拟的机械对象的实际场景，如正在加工的数控机床的主轴运行状况等。针对公式模型、工况模型、故障模型的被模拟的机械对象采用不同的应用场景导入。公式模型对象的应用场景采用图片、特性曲线的方法；工况模型和故障模型采用视频或动画的方法，被模拟的对象的现场场景的视频或动化与实时输出的转速、转矩数据同步。

综上所述，本实用新型采用了一种负载机械特性、负载故障特性和虚拟应用场景相结合的全场景模拟装置。对控制器来说，就像是真实设备，电动机被加载转矩特性、故障特性是与真实对象一样的；对学习者来说，还能看到所模拟的对象的真实场景。因此，模拟效果更好、更全面。作为一种独立的装置，可以用于各种教学设备，提高教学效率和效果，减少成本；也可用于测试设备，可以提高测试效率。本实用新型的模拟装置因为装置的硬件是固定的，而模拟对象的软件库却可随着教学需要而不断扩充，因此可以一套装置可以模拟多种机械对象。

Claims

1.一种电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，其特征在于：包括加载装置(1)、转矩转速仪(2)、被试电机(3)、测速装置(4)、控制器(5)、触摸屏(6)和测量显示仪(7)；所述加载装置(1)的输出轴经联轴器与转矩转速仪(2)连接；所述转矩转速仪(2)与测量显示仪(7)电连接；所述转矩转速仪(2)的输出轴经联轴器与被试电机(3)连接；所述被试电机(3)与测速装置(4)连接；所述控制器(5)分别与测速装置(4)和加载装置(1)电连接；所述触摸屏(6)与控制器(5)通信连接。

2.根据权利要求1所述的电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，其特征在于：所述的加载装置(1)为磁滞制动器；所述的测速装置(4)为光电编码器。

3.根据权利要求1所述的电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，其特征在于：所述的加载装置(1)为交流伺服电动机、变频电机或磁粉制动器的一种。

4.根据权利要求3所述的电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，其特征在于：所述的测速装置(4)为测速发电机或磁编码器。

5.根据权利要求1所述的电机类教学设备的机械负载对象的模拟装置，其特征在于：所述的控制器(5)为单片机、嵌入式控制器、PLC或计算机。