基于锁相环的液压风扇调速特性测试系统设计.pdf

2 0 1 0年 3月 第 3 8 卷 第6 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma L 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 2 2 基于锁相环的液压风扇调速特性测试系统设计 汤春球，莫易敏 武汉理工大学摩擦 学研 究所，湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要为测试液压风扇调速特性，需要对大功率电机进行高精度转速调节控制。介绍风扇调速特性测试系统的设计方 案，采用锁相环 P h a s e L o c k L o o p 技术实现电机转速的高精度测量，并将转速信号反馈给 P L C ，通过 P L C内置的 P I D控 制算法，控制变频器的输出频率，实现交流电机转速的高精度调节控制，转速控制精度优于 1 r ／ m i n 。 关键词液压马达；锁相环；P I D；转速调节 中图分类号T P 2 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 6～ 0 6 5 2 De s i g n o n Te s ting S y s t e m o f Ro t a t i n g Sp e e d Re g ula t i o n Cha r a c t e r f o r a Hy dr a ul i c Fa n Ba s e d o n Ph a s e Lo c k Lo o p TANG Ch u nq i u． MO Yi mi n I n s t i t u t e o f T r i b o l o g y R e s e a r c h ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o t e s t t h e r o t a t i n g s p e e d r e g u l a t i o n c h a r a c t e r o f a h y d r a u l i c f a n ， t h e r o t a t i n g s p e e d o f h u g e p o we r mo t o r mu s t b e r e gu - fat e d a c c u r a t e l y ． T h e s c h e me o f t e s t i n g s y s t e m o f f a n r o t a t i n g s pe e d r e gu l a t i o n c h a r a c t e r wa s i n t r o d u c e d ． T h e t e c h n o l o g y o f p h a s e l o c k l o o p w a s a p p l i e d t o i mp l e me n t h i g h - p r e c i s i o n me a s u r e me n t o f mo t o r r o t a t i n g s p e e d ． T h e s i g n a l o f r o t a t i n g s p e e d Was f e d b a c k t o t h e P L C t o c o n t r o l t h e o u t p u t f r e q u e n c y o f t r a n s d u c e r t h o u g h P I D c o n t r o l a r i t h me t i c s i n s i d e t h e P L C． T h e h i g h - p r e c i s i o n rot a t i n g s p e e d r e g - u l a t i o n o f t h e mo t o r wa s r e a l i z e d a n d t h e p r e c i s i o n s u r p ass e d 1 r ／ mi n ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c mo t o r ； P h a s e l o c k l o o p；P I D； Ro t a t i n g s p e e d r e g u l a t i o n 军用工程车辆发动机功率大、使用环境恶劣，特 别是在高温、高寒、高原环境条件下使用，发动机循 环冷却热管理系统、转向刹车系统和液压工作系统的 热管理系统存在严重问题。发动机及其附件的热管理 系统直接影响到发动机性能，过度冷却降低发动机的 有效功率输出，浪费能源；冷却不够使发动机 “ 开 锅” ，发动机无法工作。目前军用工程车辆发动机的 冷却系统均为散热器配风扇方式冷却，国外多使用液 力控制的液压马达风扇驱动系统，其马达体积小、输 出功率大、可靠性高，在 国外各种车辆中广泛应用， 并开始在我国军用工程车辆中使用。目前国内液压马 达的调速控 制器 主要 使用 美 国 P A R K E R 派 克 比 例阀，并配以比例阀放大控制器 ，由车辆 E C U 电 子控制单元系统根据各类工作介质如液压油 、 变矩器油、水的温度来控制风扇转速 ，使发动机工 作在最合理 点 。为 研 究 液 压 泵 的转 速 、风 扇 转 速 、 比例 阀之间 的控制关 系 ，实 现 E C U技术 国产化 ，需 要研 制一台液压泵 液压 马达 模拟 测试 台 ，以标 定 比 例阀的控制算法 ，为 自主开发 的工程车辆 发动 机 E C U系统提供冷却系统的控制算法。主要介绍 系统 的设计方案 ，并具体研究交流 电机 的精确调速控 制 1 风扇调速特性测试系统设计方案 图 1 系统设计方案 风扇调速特性测试系统采用大功率交流电机模拟 发动机，为液压系统提供动力。为测试电机 液压 泵的转速、液压马达 风扇转速 、比例阀之间 的控制关系 ，系统设计方案如 图 1 所示 ，电机的转速 通过通用变频器调节控制 ，根据实际液压马泵的转速 控制交流电机转 速在 5 0～ 2 5 0 0 r ／ m i n之间变化 。交 流电机拖动液压泵 ，给液压系统提供动力 ，直接驱动 液压马达，拖动风扇转动。在电机转速一定的情况 下，可通过调节比例阀来控制液压马达的转速，同时 监控液压马达的压力。这样 通过全程试验 ，形成 了液 压泵转速 一比例阀 一液压马达转速之间的三维数据 表 ，即液压风扇的调速特性 ，其类似于发动机的万有 特性。这个调速特性可固化于军用工程机械的发动机 E C U之中，对散热风扇实行最优调速控制。理论上 电机转速与变频器的输出频率成正比，即控制变频器 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 9 作者简介汤春球 1 9 7 7 ～ ，男，博士。电话1 3 5 0 7 1 3 3 4 7 4，E ma i l t c q w h u t ． e d u ． c n 。 6 6 机床与液压 第 3 8卷 的频率输出可以控制电机的转速 ，但是由于负载拖动 的影响存在转差率，因此这种方式的电机转速调节控 制 开环控制存在着一定的误差，不能应用于严 格的风扇特性标定工作中，需要对电机进行高精度的 测量和控制 。 作者采用转速闭环方案来控制电机转速。工业控 制计算机 工控机以通信的方式将需要设定的电 机转速传输至 P L C中；同时精确测量 电机的转速， 并将 电机 转速信 号 反馈 到 P L C的高速计 数模 块 H S C 中。P L C根据设定值与电机转速的实际值进 行比较 ，通过 P I D算法输出适当的信号给变频器 ，调 节电机的转速，最终达到设定值与电机实际的转速一 致，实现对电机转速的精确控制。同时，工控机管理 整个测试系统 的试验 进程 ，通 过 P L C实 现 自动测 试 功能，试验数据的采集、处理、绘制特性曲线、存储 以及监视各设备的工作状况，处理各类试验异常，实 现对风扇调速特性 的定点试验 与全调速 区间 的试 验 ， 以及 自动试验和手动试验相结合的功能。 2 基于锁相环技术的转速测量 电机转速的精确测量是保证电机转速调速系统精 确控制的关键部分 。常用 的数字式 转速测 量方法有 测周法 T法 、测频法 M法 和 T ／ M法 。考虑到 实际的工作情况 ，某些传感元件的性能并不适合于试 验现场恶劣的工作环境 如机械振动，强 电磁干扰 等 ，需要采用简单可靠的高精度转速检测方法。结 合 P L C的高速计数功 能，实际采用 的数 字 测 量 方 法 为 测 频 法 M 法 ，即在 电机 弹 性 联 轴 器 法 向 安 装 3 个磁 铁 ， 以霍 耳 磁 电 接近 开 关 的方 式 测 量 转速 ，如图2所示。 频差的特点，因此广泛应用于广播通信、频率合成、 自动控制及时钟同步等技术领域。过去的锁相环多采 用分立元件和模拟电路 ，现在常使用集成电路的锁相 环 ，因为集成锁 相 环性 能优 良 、价 格 便宜 、使 用方 便，因而获得广泛的应用。集成锁相环 C D 4 0 4 6是其 中的一种 ，C D 4 0 4 6 是 一种通用 的 C MO S 数字锁相环 ， 最高工作频率约 1 MH z ，它可以通过相位来控制频 率，实现无误差的频率跟踪，因其性能优良、价格便 宜、使用方便 ，广泛用于通信 、电视、仪器仪表和频 率合成等领域 。 利用 C I M0 4 6实现的电机转速测量 系统原理 电路 如图 3所示 。锁 相环 C D 4 0 4 6和芯 片 C D 4 5 1 8构成 2 0 倍频器。经传感器采集并预处理过的电机转速脉冲信 号从 C D 4 0 4 6信号输入端 管脚 1 4 输入，压控振荡 器的输出信号 管脚 4 ，亦为倍频信号输出端 经 C D 4 5 1 8分频后反馈至比较信号输人端 管脚 3 ，鉴 相后的信号从相位 比较器 管脚 1 3 输出，此信号 经低通滤波处理后送给压控振荡器输入端 管脚 9 。 管脚 1 上将给出反映锁相环工作状态的指示信号，高 电平表示环路已锁定 ，检测这一指示信号可随时掌握 锁相环的工作状态，给实际应用带来方便，途中二极 管熄灭时表示锁相电路正常工作。C D 4 5 1 8是一个集成 的双二 一 五 一 十进制计数 器芯片 ，C D 4 5 1 8中的每个计 数器包含两个时钟输入端 C L K和 E N 。C L K用 于上升 沿触发，要求E N 1 ；C L K用于 下降沿触 发，要求 E N 0 。R是复位端 ，且异步复位 ，高电平有效 。 D3 S 霍耳接 。 I 近 开关r1一1 _ 图2 转速的测量方式 电机每转输出 3个脉冲 ，在测量时 引入 了 1的 计数脉冲误差，设每秒转 k 转，故每分钟转速 n为 n坐 n 每分钟转速 n的测量误差为 6 0 ／ 32 0 r ／ mi n 可以看出，未经处理的原始信号进行测量，其测 量精度远远达不到实际要求。为达到转速测量精度 1 r ／ m i n ， 需要在 M转速测量法的基础上提出了一种 改进方式 ，即对原始脉冲信号进行信号倍频处理，至 少进行2 0倍频。实际应用中采用锁相环技术对脉冲 信号进行倍频处理。锁相环 P L L 是一种以消除频 率误差为 目的的自动相位控制电路，能够完成两个电 信号相位同步的自动控制。由于锁相环具有锁定后无 霄。 1 001 2 ． 2 L c 1 0 F 4 7 k Q } n ED SV Al N P CP BI N PCl VCI N I NH PC2 CA CB VCoUT R l R2 SF ZEN 鼎 45l 8B 蛭恧 Q 0 R 2 图3 2 0倍频电路原理图 3 基于 P L C的电机转速 P I D控制 当被控对象的结构和参数不能完全掌握 ，或得不 下转第 7 9页 第6期 姜小菁 等基于模块化仪器与数据库测试技术的液压系统自动检测系统设计 - 7 9 据库，构成基于数据库的检测系统，实现了工程机械 液压系统的远程监测与故障诊断。程序流程图见图4 。 网络通信模块 远程监测 与 故 障诊 断 数据库管理 工 数据采集 故障诊 断模块 故障解释 神经 网络推理 数据预处理l J 网络知识库J 卜 _ 畜 ■ 图4 系统软件结构图 2 ． 3 监 测报 警模 块 根据各个传感器采集到的液压系统工况信号，采 用单参数阈值报警和多参数综合分析报警两种方式进 行当前系统状态的预测和预报。单参数报警是将单个 工况参数的测试数据与其设定的正常工况阈值进行比 较 ，根据差别程度的不同进行分级报警 ；多参 数报警 首先将几个关键工况参数 的测试值进 行归一 化处理 ， 然后进行综合的故障诊断 采用神经网络方法 ，给 出系统级 的状态提示 。 2 ． 4 故障诊断模块 工程机械液压系统结构的复杂性使得其故障具有 多层次性、模糊性和不确定性等特点，而且该系统要 求实现故障的在线诊断和离线分析两种功能，因此故 障诊断模块采用了神经网络算法模型。 故障诊断模块工作时，将监测数据库中采集的数 据取出并进行预处理，作为神经网络处理模块的输入 量，神经网络的输出量代表故障诊断的结果。首先对 神经网络进行训练学习，即将特定故障对应的状态参 数作为样本，建立较全的样本库，然后用所有的样本 对神经网络进行训练，这样就可以将样本库的知识以 网络的形式存储在神经网络的连接权中，最后，通过 神经网络输入量的计算就可以完成故障诊断与分析。 3 结束语 作者研制的工程机械液压系统状态监测系统是一 个开放式系统，硬件设计中应用了P X I 标准测控仪器 总线技术和模块化仪器系统方案，并采用了虚拟仪器 L a b WI N D O W／ C V I 操作平台，能够满足液压系统状态 实时监测与故障诊断所要求的高处理能力，并且适合 于工程机械特殊的工作环境。系统在硬件和软件上都 具有较强的扩展能力 。根据工程机械液压系统故障的 特点，提出了基于模块化仪器技术和数据库技术的检 测系统设计方案，对工程机械其他系统的监测与诊断 具有很好的参考价值。 参考文献 【 1 】张立刚， 乔立岩． 虚拟仪器软件开发环境 L a b Wi n d o w s ／ C V I 6 ． 0编程指南[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】 宋宇峰． L a b W i n d o w s ／ C V I 逐步深入与开发实例[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】彭树梁． 液压挖掘机液压系统故障诊断与排除[ J ] ． 露 天采矿技术， 2 0 0 3 2 2 42 5 ， 2 8 ． 【 4 】任焱唏， 李青霞， 陈俊达， 等． 基于软件的智能传感器的 设计与实现[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 3 ， l 1 8 6 3 8 6 4 O． 上接 第 6 6页 到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用 时，系统控制器的结构和参数需要根据经验和现场调 试来确定。这时应用 HD控制技术最为方便 ，即利用 比例 、积分 、微分计算出控制输 出量进行控制。实 际 采用 L G 1 2 0系列 P L C作为变 频器 的主控系统 ，利用 P L C内置的 P I D模块对变频器进行 HD控制。L G 1 2 0 P L C内集成了 8 路 P I D控制输出，使用非常方便 ，只 需要设置好比例系数、积分系数 、微分系数即可。由 于实际的液压泵的运行转速不能超过 2 5 0 0 r ／ m i n ，因 此对 P L C内置 的 P I D输 出可 以进 行输 出 限制设 置 ， 保证 电机 的转速不超过液压泵的转速上 限。在对 P I D 的参数进行 设 置时 参数 配置 可 以参 照 L G 1 2 0相 关 手册 ，同时考虑到 电机 的 惯性 和电机 运行的平稳性 ， 设定 P I D的扫描控制周期 为 1 S ，以保 证 电机 调速 的 稳定 和 准 确 。图 4为 P L C 的 P I D控制梯形 图。 一 图 4 P L C内置 P I D 指令控制图 图4中，P 0 0 4 1 为 P L C给变频器的起动信号，指 令 HD 8 0 0 0 0 0 D 0 0 1 0是对 P L C内第 1路 P I D根据预 先设置的给定值 、反馈值及其他边界条件进行运算， 运算状态存储在 D 0 0 1 0寄存器中，HD运算结果将保 存在寄存器 D 0 0 1 1中，并输出给 D A寄存器 D 4 9 8 2 ， 通过 P L C的D A模块输出给变频器，控制电机按照预 先设定值运行。 4 结束语 该系统在某军用发动机散热器生产厂家通过测试 并投入运用 ，电机转速的调节精度为 1 r ／ m i n ，电机 和风扇的转速检测精度为 1 r ／ m i n ，能够满足对液压 马达风扇调速测试的生产需 要。通 过设计合理 的 P I D 控制参数，在对电机转速的调节过程中，电机转速超 调量小 ，转速调节响应快 ，系统运行平稳 。因此采用 锁相环技术对转速进行高精度检测 ，结合 P L C 内 置的数字 P I D的算法，可 比较方便理想的实现对 电机高精度调速。 参考文献 【 1 】L G 1 2 0用户手册 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】赵庆龙 ， 胡大邦． 变频液压调速系统速度控制研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 3 1 5 7 ． 【 3 】 施奈德 A T V 5 8 系列变频器用户手册， 2 0 0 6 ． 【 4 】黄凤娟． 用锁相环 C D 4 0 4 6 实现电动机转速测量的研究 [ J ] ． 重庆科技学院学报 自然科学版， 2 0 0 7 1 4 9 5 2 ．